一种多水面航行器协同跟踪编队控制方法

技术特征：

1.一种多水面航行器协同跟踪编队控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.将采集到的多水面航行器信息传输给船载计算机，船载计算机考虑领导者船舶与跟随者船舶之间的邻接矩阵，分别定义内部矩阵和阻尼矩阵，通过未知外源系统对外扰向量进行描述，同时考虑外部干扰和饱和输入的影响，得到多水面航行器动力学模型；

步骤2.利用图论理论，对多水面航行器之间的信息连接关系进行表示，得到航行器的网络信息，基于航行器之间网络信息获取邻接矩阵信息，得到拉普拉斯矩阵，用于定义编队控制中领导者与跟随者之间的位置跟踪误差；

步骤3.根据步骤2得到的位置跟踪误差，基于系统误差坐标变换、多水面航行器的位置和速度信息，设计抗干扰滤波器；

步骤4.通过变换的坐标和抗干扰滤波器，得到多水面航行器中领导者和跟随者之间的误差关系，进而设计多水面航行系统的中间控制函数，通过中间控制函数的二阶滤波器得到速度干扰补偿系统；

步骤5.通过定义未知外源系统的坐标变换，设计并得到sylvester矩阵等式的解，基于坐标变换，得到未知外源系统的未知输入模型，设计自适应参数扰动观测器以获得未知输入模型的状态变量，定义误差向量，设计自适应编队控制律，基于鲁棒自适应设计自适应编队控制律中的自适应更新律，以实现多水面航行器的跟踪和协同编队控制。

2.如权利要求1所述的多水面航行器协同跟踪编队控制方法，其特征在于，步骤1中所述多水面航行器动力学模型的具体为：

（1）

（2）

式（1）、（2）中，i表示第i个航行器，且，l表示引导者水面航行器中的编号，m表示多水面航行器中的第m个跟随者，、分别为航行器位置和速度向量信息，参数上方符号表示求导运算，、和分别表示惯性矩阵、向心力矩阵和偏向矩阵，为旋转矩阵，为自适应编队控制律，表示饱和控制向量，是可由未知外源系统描述的干扰向量，其描述形式由如下数学模型表示：

（3）

（4）

为未知外源系统的状态向量，和为未知外源系统的未知系数矩阵，为外源系统未知干扰；

考虑航行器控制输入有界的饱和特性，将饱和控制向量描述为，

（5）

t表示转置，n表示控制向量的维数，为饱和控制向量的简化形式；

式(5)中的饱和特性函数sat()具体描述如下，

（6）

式（6）中，为界限幅值，k为第i个航行器的第k个执行器。

3.如权利要求2所述的多水面航行器协同跟踪编队控制方法，其特征在于，步骤2中多水面航行器之间的位置跟踪误差具体计算过程为：

多水面航行器网络中，用表示能够被第i个航行器得到信息的航行器下标的集合，具体可描述为，

（7）

定义拉普拉斯矩阵如下，

（8）

式（8）中，，表示中元素的个数，j表示第j个航行器；

拉普拉斯矩阵可简化为：

（9）

其中，，；

定义位置跟踪误差为，

（10）

为第i个航行器的位置信息，第j个航行器的位置信息，为第i个航行器和第j个航行器之间期望的距离。

4.如权利要求3所述的多水面航行器协同跟踪编队控制方法，其特征在于，步骤3中所述抗干扰滤波器的具体设计过程为：

定义多水面航行器系统误差坐标变换方程为：

（11）

式（11）中，为多水面航行器系统的位置跟踪误差，为多水面航行器系统的位置跟踪误差，为中间控制函数的滤波结果，、为多水面航行器系统中位置信息和速度信息在受到未知外扰下的滤波抗干扰信号；

具体抗干扰滤波器描述为：

（12）

具体分布式抗饱和辅助系统描述为：

（13）

式（12）、（13）中，表示第i个航行器的标称惯性矩阵的逆，和均为待设计矩阵，，。

5.如权利要求4所述的多水面航行器协同跟踪编队控制方法，其特征在于，步骤4中所述速度干扰补偿系统的具体设计过程为：

多水面航行系统的中间控制函数为：

（14）

式中，为旋转矩阵的逆矩阵，为跟随者第一个子系统中的跟踪误差；

中间控制函数的二阶滤波器可被描述为，

（15）

（16）

式（15）、（16）中，和共同组成一个二阶滤波器，、均表示设计参数，并且，；

所述二阶滤波器的速度干扰补偿系统可被描述为，

（17）。

6.如权利要求5所述的多水面航行器协同跟踪编队控制方法，其特征在于，步骤5中所述自适应编队控制律和自适应更新律的具体计算过程为：

由于干扰外源系统公式(3)和(4)的参数是未知的，为了便于未知干扰估计和抵消，引入状态变换将未知外源系统转换为新的状态向量，具体如下，

（18）

式（18）中的为sylvester等式的解，所述sylvester等式具体为

（19）

式（19）中，，为赫尔维茨矩阵，、均为矩阵；

因此，外源系统未知干扰可被准确转换为如下线性模型，

（20）

（21）

式（21）中，为得到未知输入模型的状态变量，，为参数矩阵；

设计自适应参数扰动观测器，其具体形式为，

（22）

式中，为中间辅助状态向量，为的估计值，为已知船舶运动动态项；

定义误差向量为：

（23）

为跟随者的第一个子系统的误差向量，为跟随者的第二个子系统的误差向量；这里，由于引入了二阶滤波器的速度干扰补偿系统式(17)，故仅需要利用修正误差向量；

设计自适应编队控制律为：

（24）

其中，，为鲁棒项；

自适应更新律设计为：

（25）

式（25）中，和分别为待设计的矩阵和参数，且；

自适应编队控制律中的鲁棒项具体为，

（26）

式（26）中，为干扰项幅值，、和为待设计的参数。

7.如权利要求1所述的多水面航行器协同跟踪编队控制方法，其特征在于，步骤1中所述多水面航行器信息包括根据罗经测量的航行器的位置信息和当前速度信息。

8.如权利要求2所述的多水面航行器协同跟踪编队控制方法，其特征在于，，>0。

9.如权利要求5所述的多水面航行器协同跟踪编队控制方法，其特征在于，设计的标准为满足实际控制精度要求，，。

技术总结
本发明提供一种多水面航行器跟踪和协同编队控制方法，属于船舶自动控制技术领域。本发明控制方法主要面向考虑未知频率扰动的多水面航行器系统，运用自适应参数扰动观测器和分布式抗饱和辅助系统，解决输入舵角受限的多水面航行器系统的未知扰动在线估计抑制问题；利用分布式抗饱和辅助系统的状态向量来矫正跟踪反馈控制误差问题，有效减少饱和效应对多水面航行器自适应编队性能的影响，提高多水面航行器系统的协同性、抗干扰性和跟踪性。

技术研发人员：李铁山;胡鑫;白伟伟;龙跃;李耀仑
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2021.04.29
技术公布日：2021.06.18