多参数化路径导引的无人船协同操纵控制器及其设计方法
专利汇可以提供多参数化路径导引的无人船协同操纵控制器及其设计方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种多参数化路径导引的无人船协同操纵 控制器 及其设计方法，所述的控制器包括通讯网络、多个无人船控制器单元和多个领航者控制器单元；所述的多个无人船控制器单元与多个领航者控制器单元分别与通讯网络连接。本发明采用分布式控制结构，编队中仅有部分无人船能够直接获取领航者的信息，其它无人船只能获取邻近的无人船信息。与集中式控制结构相比，分布式控制结构能够更加高效地利用无人船编队内部有限的资源，具有容错性好、数据传输量小、节约通信带宽，方便扩展等优点，使得该协同操纵控制器更有利于实际应用。本发明不仅可以实现无人船协同 跟踪 控制，而且可以分别控制无人船编队满足 指定 的性能，实现了无人船协同操纵控制。，下面是多参数化路径导引的无人船协同操纵控制器及其设计方法专利的具体信息内容。
1.多参数化路径导引的无人船协同操纵控制器，其特征在于：包括通讯网络、多个无人船控制器单元和多个领航者控制器单元；所述的多个无人船控制器单元与多个领航者控制器单元分别与通讯网络连接；
所述的无人船控制器单元包括跟随者间协同误差生成器、与领航者协同误差生成器、求和器、坐标变换器、控制模块和无人船；跟随者间协同误差生成器的输入端分别与无人船的输出端以及通讯网络相连；与领航者协同误差生成器的输入端分别与无人船的输出端以及通讯网络相连；跟随者间协同误差生成器和与领航者协同误差生成器的输出端均与求和器的输入端相连；求和器的输出端与通讯网络和坐标变换器的输入端相连；坐标变换器的输出端与控制模块的输入端相连；控制模块的输出端与无人船的输入端相连；所述的跟随者间协同误差生成器、与领航者协同误差生成器、求和器和坐标变换器共同组成协同操纵制导模块；
所述的领航者控制器单元包括领航者参数协同误差生成器、协同操纵信息生成器、比例放大器、参考速度生成器、领航者、比较器A、比较器B、积分器A和积分器B；领航者参数协同误差生成器的输入端分别与领航者的输出端和通讯网络相连；协同操纵信息生成器的输入端分别与领航者参数协同误差生成器的输出端、领航者的输出端和通讯网络相连；比较器A的输入端分别与协同操纵信息生成器的输出端以及积分器A的输出端相连；比例放大器的输入端与比较器A的输出端相连；积分器A的输入端与比例放大器的输出端相连；比较器B的输入端分别与积分器A的输出端以及参考速度生成器的输出端相连；积分器B的输入端与比较器B的输出端相连；领航者的输入端与积分器B的输出端相连；所述的领航者参数协同误差生成器与协同操纵信息生成器组成领航者协同信息处理模块；所述的比较器A、比例放大器和积分器A组成滤波模块；所述的比较器B、参考速度生成器和积分器B组成路径参数更新模块。
2.多参数化路径导引的自主无人船协同操纵控制器的设计方法，其特征在于：所述的无人船可用以下微分方程组描述：
其中，下标i代表编号为i的无人船；xi,1＝[pi,qi,ψi]T表示地球坐标系下无人船的横向位置、纵向位置与船舶航向；R(ψi)为地球坐标系到船体坐标系的坐标变换矩阵，表示为：
xi,2代表船体坐标系下无人船的速度向量；Mi代表无人船的惯性矩阵；ui表示无人船的控制输入力矩；fi(xi,1,xi,2)为无人船中的不确定性非线性动态；wi代表由外部海洋环境产生的扰动；
通讯网络的结构如下：
无人船编队的通讯网络由N个节点组成，其中含有M个无人船节点和N-M个领航者节点，这里的领航者节点个数可由编队的期望队形确定；通讯网络结构可用图G描述：
其中，集合V代表编队内部包含M艘无人船和N-M个领航者；集合ε表示编号为i的节点与编号为j的节点之间存在通信联系；M艘无人船与N-M个领航者的通讯关系用下面的邻接矩阵A描述：
当ai,j＝1时，则表示编号为j的节点的信息传递给编号为i的节点，即编号为j的节点是编号为i的节点的邻居；其他情况下ai,j＝0；
对于编号为i的无人船节点，定义两个集合Fi和Li，分别代表该无人船节点的邻居无人船集合与邻居领航者集合；
对于编号为j的领航者节点，定义两个集合Fj和Lj，分别代表该领航者节点的邻居无人船集合与邻居领航者集合；
所述的的设计方法，包括以下步骤：
A、无人船控制器单元
A1、协同操纵制导模块的设计
协同操纵制导模块由跟随者间协同误差生成器、与领航者协同误差生成器、求和器和坐标变换器组成；
跟随者间协同误差生成器的输入信号包括无人船地球坐标系下的位置信号xi,1、与邻居无人船地球坐标系下的位置信号xj,1,j∈Fi；所述的跟随者间协同误差生成器的输出信号 设计为：
其中，gF(·)是关于xi,1和xj,1的函数；
与领航者协同误差生成器的输入信号包括无人船地球坐标系下的位置信号xi,1和邻居领航者的路径信号ηjr(θj),j∈Li；所述的与领航者协同误差生成器的输出信号 设计为：
其中，gL(·)是关于xi,1和ηjr(θj)的函数，θj为领航者的路径参数；
与 经过求和器求和：
得到无人船地球坐标系下的协同操纵误差si；
将sie进行坐标变换，得到协同操纵制导模块的输出信号si
si＝R-1(ψi)sie (5)
其中，R-1(ψi)为R(ψi)的逆矩阵；
A2、控制模块的设计
控制模块的输入信号为协同操纵制导模块的输出信号，所述的控制模块的输出信号ui设计为：
ui＝gu(si) (6)
其中，gu(·)是关于si的函数；
B、领航者控制器单元
B1、领航者协同信息处理模块的设计
领航者协同信息处理模块由领航者参数协同误差生成器与协同操纵信息生成器组成；
领航者参数协同误差生成器的输入信号包括领航者的路径参数信号θj和邻居领航者的路径参数信号θr,r∈Lj；所述的领航者参数协同误差生成器的输出信号ej设计为：
ej＝he(θj,θr) (7)
其中，he(·)是关于θj与θr的函数；
协同操纵信息生成器的输入信号包括领航者参数协同误差生成器的输出信号ej、领航者的路径信号ηjr(θj)、领航者的路径参数θj和邻居无人船协同操纵制导模块的输出信号si,i∈Fj；所述的协同操纵信息生成器的输出信号，即领航者协同信息处理模块的输出信号υj设计为：
其中，μj为增益常数，ha(·)是关于 si和ej的函数， 为领航者路径信
号的导数， 为领航者路径参数的导数；
B2、滤波模块的设计
滤波模块由比较器A、比例放大器和积分器A组成；
将积分器A的输出信号ωj和领航者协同信息处理模块的输出信号υj通过比较器A进行比较，比较器A的输出信号通过比例放大器放大λj倍，作为积分器A的输入信号；所述的积分器A的输出信号，即滤波模块的输出信号ωj设计为：
ωj＝∫λj(υj-ωj)dt (9)
B3、路径参数更新模块的设计
路径参数更新模块由比较器B、参考速度生成器和积分器B组成；
将滤波模块的输出信号ωj与参考速度生成器的输出信号vs通过比较器B进行对比，比较器B的输出信号作为积分器B的输入信号；所述的积分器B的输出信号，即路径参数更新模块的输出信号θj设计为：
θj＝∫(vs-ωj)dt (10)
以上无人船控制器单元与领航者控制器单元共同构成多参数化路径导引的无人船协同操纵控制器。
多参数化路径导引的无人船协同操纵控制器及其设计方法
技术领域
背景技术
发明内容
具体实施方式
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