[發明專利]基于3D映射制導的USV-UAV協同路徑跟蹤自適應控制器設計方法

在審

• 申請號: 202110797422.6
• 申請日: 2021-07-14
• 公開（公告）號: CN113419428A
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發明（設計）人: 張國慶;李紀強;韓軍;褚生甲;李博;董相君;任鴻翔;張顯庫
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 大連至誠專利代理事務所(特殊普通合伙) 21242
• 代理人: 張海燕;涂文詩

本發明公開了一種基于3D映射制導的USV(Unmanned aerialvehicle)?UAV(Unmanned aerial vehicle)協同路徑跟蹤自適應控制器設計方法，包括以下步驟：S1、建立無人船?無人機協同的系統模型；S2、構建無人船和無人機之間的有效關聯；S3、設計無人船?無人機位置控制器和自適應律；S4、設計無人船?無人機姿態控制器和自適應律；S5、控制無人船?無人機實現協同路徑跟蹤控制任務。本發明能將水面參考路徑信息等量映射到空間參考平面上，在無人船?無人機之間構建有效關聯，本發明能同時為無人船?無人機系統進行控制器設計，并且采用模糊邏輯系統和動態面技術處理無人船?無人機協同系統中的結構不確定項和計算爆炸問題。本發明能夠提升無人船?無人機在協同路徑跟蹤方面的自動性。

技術領域

本發明涉及機器人協同控制領域，尤其涉及一種基于3D映射制導的USV-UAV協同路徑跟蹤自適應控制器設計方法。

背景技術

ILOS制導算法在船舶和無人機運動控制領域均具有廣泛的應用。無人船在續航和載荷能力上優于無人機，無人機在速度和觀測能力上優勢明顯。因此，相對于單個的無人船或無人機，由無人船搭載無人機執行海事任務更具靈活性、實用性和可擴展性，它能夠充分發揮空海協同優勢。但是在現有研究成果中，主要針對同構智能體以及1階/2階異構智能體進行協調控制研究，未考慮無人船-無人機的實際工程情況。在陸空協調控制方面取得一系列成果，但是對于無人船-無人機多以遙控技術來實現協同航行，未能形成完備的控制理論體系。此外，ILOS制導算法是基于前向視距進行規劃艏向參考信號，在轉向點處容易發生實際路徑超調現象。

基于以上分析，基于ILOS制導的無人船或無人機路徑跟蹤控制算法在兩者協同控制任務中主要存在以下缺陷：ILOS制導算法在轉向點附近易發生超調現象，影響控制性能；LOS制導算法無法在無人船和無人機之間構建有效的聯系，導致無人船和無人機無法實現自動協同路徑跟蹤控制任務。

發明內容

本發明提供一種基于3D映射制導的USV-UAV協同路徑跟蹤自適應控制器設計方法，以克服以上問題。

本發明包括以下步驟：

S1、建立無人船-無人機協同的系統模型，作為后續步驟所設計控制器的被控對象；

S2、構建無人船和無人機之間的有效關聯，通過3D映射制導，將位置信息等量映射到無人機空間參考平面上，得到水平面上無人船的參考航向和空間面上無人機的參考航向；所述位置信息為邏輯虛擬小船為無人船規劃的期望航線的位置信息；

S3、設計無人船-無人機位置控制器和自適應律，減小無人船-無人機的位置誤差，引導無人船-無人機跟蹤到參考位置，并通過非線性解耦技術，對位置控制器進行解耦，得到無人機的參考橫搖角和參考縱搖角；

S4、設計無人船-無人機姿態控制器和自適應律，減小無人船-無人機的姿態誤差；

S5、控制無人船-無人機實現協同路徑跟蹤控制任務。

進一步地，S1無人船-無人機協同的系統模型的公式為：