一种避碰与连接保持约束下的无人艇分布式编队控制方法
专利汇可以提供一种避碰与连接保持约束下的无人艇分布式编队控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种避碰与连接保持约束下的无人艇分布式编队控制方法，包括步骤：构建无人艇的运动学和动 力 学模型；用无向拓扑图来描述无人艇编队系统中各个体间的信息交互；建立第k条边上相邻无人艇的距离误差方程、相对航向 角 误差方程以及方位角误差方程，并将避碰与连接保持约束描述成对编队误差的约束问题；采用对数障碍李雅普诺夫函数来确保编队误差满足预设暂态性能的约束条件，并运用后推设计法针对第i个无人艇的相对航向角误差系统、距离误差系统和方位角误差系统进行虚拟 控制器 的设计；在编队控制器设计中运用动态面控制技术避免对虚拟控制器反复求导问题和解决 加速 度不可测问题；设计出基于扰动观测器的分布式编队控制器。，下面是一种避碰与连接保持约束下的无人艇分布式编队控制方法专利的具体信息内容。
1.一种避碰与连接保持约束下的无人艇分布式编队控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤(1)：建立编队系统中无人艇的运动学和动力学模型；
步骤(2)：结合代数图论法，用无向图 来描述无人艇编队系统中各个体间的信息交互；
步骤(3)：建立第k条边上相邻无人艇的距离误差方程 相对航向角误差方程 以及
方位角误差方程 其中 M为无向图 中所有不同边的总数量，为避
免碰撞及保持通信连接，结合预设性能控制技术将避碰与连接保持的约束问题描述成对编队误差的约束问题；
步骤(4)：在李雅普洛夫函数综合设计方法中引入对数障碍函数，并构造相应的对数障碍李雅普洛夫函数，确保编队误差不超过预先设定的暂态性能约束条件，以及运用后推设计法针对第i个无人艇的相对航向角误差系统、距离误差系统和方位角误差系统进行虚拟控制器的设计，其中i∈{1,2,…n}，n为编队系统中无人艇的总个数；
步骤(5)：在步骤(4)利用后推设计法的基础上引入动态面控制技术，以避免出现虚拟控制器反复求导的问题及控制器中包含邻居无人艇的加速度信息的问题；
步骤(6)：基于步骤(3)到步骤(5)中的代数图论法、预设性能控制技术、对数障碍李雅普洛夫函数、后推设计法与动态面控制技术，并采用扰动观测器对未知外部扰动进行估计和补偿以设计出合适的分布式编队控制器。
2.根据权利要求1所述的一种避碰与连接保持约束下的无人艇分布式编队控制方法，其特征在于，步骤(1)中，第i个无人艇的运动学和动力学模型为：
上式中的前三项是系统的运动学方程，其中，(xi,yi)表示第i个无人艇在大地坐标系(OeXeYe)下的位置；ψi为大地坐标系下的航向角； 中的各分量对应于体坐标
系(obxbyb)下的前进速度ui、横荡速度υi和转向角速度ri；上式中的最后一项是系统的动力学方程，其中，Mi>0为惯性矩阵； 为总的科氏力和向心加速度矩阵； 为阻尼矩阵；
τi表示无人艇的控制输入；τωi(t)表示由于自然因素引起的外部未知时变扰动；矩阵Mi，和 的具体形式分别如下所示：
其中
上式中，mi是第i个无人艇的质量；Izi是转向角速度方向上的转动惯量； 和
均是附加质量；xgi是第i个无人艇在xb坐标上的重心；X(·)，Y(·)和N(·)分别是在前进速度方向、横荡速度方向和转向角速度方向上的线性和二次流体动力学阻尼系数。
3.根据权利要求1所述的一种避碰与连接保持约束下的无人艇分布式编队控制方法，其特征在于，步骤(2)中，用无向图 来描述无人艇编队系统中各个体间的信息交
互， 是有限非空集合，称为顶点集，其中编号为0的顶点对应虚拟领航者，集
合{1,2,,…,N}中的每个顶点对应有相同编号的跟随者； 是有限集
合，称之为边集，每条边对应有相同编号且能互相通信的相邻无人艇；无向图 的邻接矩阵A＝(aij)(N+1)×(N+1)的元素aij∈{0,1}，当无人艇i可以获取无人艇j的信息时，此时j称为尾部，i称为头部，aij＝1，否则aij＝0；顶点i的邻居集定义为：
为避免步骤(3)中所定义的误差产生歧义，预先给无向图 中的每条边指定一个方向，引入关联矩阵B＝(bij)(N+1)×M，其中M为 中所有不同边的总数量，矩阵中的各元素定义为：
使用(jk,ik)∈ε来表示第k条边，其中ik、
4.根据权利要求3所述的一种避碰与连接保持约束下的无人艇分布式编队控制方法，其特征在于，步骤(3)中，第k条边上的相邻无人艇ik和jk的相对位置 方位角 和相对航向角 具体定义为：
其中
通信连接保持：半径为 的圆形区域表示无人艇ik能够接收信息的区域，当每个无人艇的通信范围有限时，为保证稳定且可靠的通信，相邻无人艇ik和jk的距离必须位于通信区域内，即第k条边上的顶点ik、jk间的距离须满足
其中， 为预先设定的第k条边上的通信区域的半径；
碰撞避免：半径为 的圆形区域表示无人艇ik的船身半径，当任意一对相邻无人艇在彼此的预设安全区域外，才能防止碰撞发生，即相邻无人艇ik和jk间的距离须满足其中， dk,con为预先设定的第k条边上避免碰撞的最小半
径；
方位角受限：相邻无人艇ik、jk的中心点ob之间的连线称为中心点连线，方位角 为无人艇ik的航向角与ik、jk中心点连线之间的夹角，该夹角逆时针取值为正，顺时针取值为负，为保证无人艇编队系统航行时的安全以及通信质量，必须确保
其中θk,con满足不等式0<θk,con<π/2；
定义如下的编队位置误差 编队角度误差 和
其中，dk,des、θk,des和ψk,des分别表示第k条边上的理想距离、理想方位角和理想相对航向角，它们的取值为常数，且不等式0
其中， -θk,con-θk,des<0、θk,con-θk,des>0、 和
由于暂态性能严重的影响着编队系统性能的好坏，因此采用预性能函数作为误差
的边界函数，对编队误差 和 进行约束，具体约束如下所示
其中，nk＝dk,θk,ψk； 和 是由设计者指定的、光滑的、有界的且随着时间而衰减的函数，考虑到指数函数的特性，便将它选作边界函数 和 即 和 的具体形式为
上式中， 和 也称为单调递减的预设性能函数；初始值
参数
和 均为大于零的可设计参数，并且须满足关系： 和 其
中 和 表示允许的最大稳态误差值。
5.根据权利要求4所述的一种避碰与连接保持约束下的无人艇分布式编队控制方法，其特征在于：步骤(4)中，编队角度误差 所对应的对数障碍函数 的具体形式如下所示上式中， ln(·)表示自然对数，从上式可知，倘
若 的值始终在包含零点的开集 范围内波动，函数 将一直有界，只有出
现以下两种情况， 的取值才会无限大或无限小:当 时， 当
时， 因此能够通过确保函数 的有界性来保证误差
始终不违反式预设的暂态和稳态约束；定义 由于函数 不是
一个正定函数，因此重新构造一种基于李雅普洛夫函数进行控制设计的非负函数，称为对数障碍李雅普洛夫函数，具体如下：
运用后推设计法针对相对航向角误差系统进行虚拟控制器设计，则第i个无人艇的虚拟控制器αri为：
其中
kri是大于零的可设计参数； 它表示连接顶点i和顶点j的边，即 等
价于 (jk,ik)∈ε这种写法，从而有
和 Δ(i,kij)满足如下关系：当顶点i是边kij的头部时，Δ(i,kij)＝1；当顶
点i是边kij的尾部时，Δ(i,kij)＝-1；否则Δ(i,kij)＝0；
类似地，引入对数障碍函数 和 分别保证编队位置误差 和编队角度误差 不
违反预设的暂态和稳态约束，将受限问题转换为有界性问题，考虑如下函数
其中χ＝d,θ； 构造如下关于 和 的非负对数障碍李雅普洛夫函数
针对距离误差系统和方位角误差系统，运用后推设计法得到的虚拟控制器αui和αvi为其中
kui和kvi均是大于零的可设计参数；角度 变量
分别表示第k条边上相邻无人艇ik和jk的相对位置、方位角和相对航向角； 和 分别对应第k条边上无人艇jk的前进速度和横荡速度； 对应第k条边上无人艇ik的转向角速度；
ζχk和lχk的形式如下
6.根据权利要求5所述的一种避碰与连接保持约束下的无人艇分布式编队控制方法，其特征在于：步骤(5)中，为避免虚拟控制器反复求导以及防止所设计的控制器中包含有加速度项，引入动态面控制技术，采用动态面控制技术时，让虚拟控制器 其中 通
过一个一阶低通滤波器后得到滤波虚拟控制器 为抵消一些耦合项，选择让 通过
滤波器以获得 具体如下所示
其中，μui>0和μυi>0为可设计的滤波时间常数；Yui和Yυi的形式分别如下
其中，角度 变量 分别表示第k条边上相邻无人
艇ik和jk的相对位置、方位角和相对航向角； 和 均为对数障碍函数； 和 均是关于系统状态变量的函数。
7.根据权利要求6所述的一种避碰与连接保持约束下的无人艇分布式编队控制方法，其特征在于：步骤(6)中，基于步骤(3)到步骤(5)中的代数图论法、预设性能控制技术、对数障碍李雅普洛夫函数、后推设计法与动态面控制技术，并采用下面的扰动观测器对未知外部扰动τωi进行估计和补偿
其中，Kdi＝diag{kd1i,kd2i,kd3i}是由大于零的可设计参数构成的正定矩阵； 为τωi的估计值； 为三维观测器的状态向量；则分布式编队控制器τi能够设计为：
其中
对角阵Kτi＝diag{kτ1i,kτ2i,kτ3i}是由可设计参数构成的正定矩阵；Mi为惯性矩阵；
为总的科氏力和向心加速度矩阵； 为阻尼矩阵；Qi(pij,ψij)为系统状态变量的函数；误T
差向量ei＝[eui,eυi,eri]，其中eui、eυi和eri分别表示第i个无人艇的前进速度ui与滤波虚拟控制器αufi之差、横荡速度υi与滤波虚拟控制器αυfi之差、转向角速度ri与虚拟控制器αri之差：
eui＝ui-αufi
eυi＝vi-αυfi
eri＝ri-αri
向量 其中eαui和eαui为层
面误差，分别表示第i个无人艇的滤波虚拟控制器αufi与虚拟控制器αui之差、滤波虚拟控制器αυfi与虚拟控制器αυi之差：
一种避碰与连接保持约束下的无人艇分布式编队控制方法
技术领域
背景技术
发明内容
为避免碰撞及保持通信连接，结合预设性能控制技术将避碰与连接保持的约束问题描述成对编队误差的约束问题；
阵；τi表示无人艇的控制输入；τωi(t)表示由于风浪、洋流等自然因素引起的外部未知时变扰动；矩阵Mi， 和 的具体形式分别如下所示：
航者，集合{1,2,,…,N}中的每个顶点对应有相同编号的跟随者；
是有限集合，称之为边集，每条边对应有相同编号且能互相通信的相邻无人艇；无向图 的邻接矩阵A＝(aij)(N+1)×(N+1)的元素aij∈{0,1}，当无人艇i可以获取无人艇j的信息时，此时j称为尾部，i称为头部，aij＝1，否则aij＝0；顶点i的邻居集定义为：
差的边界函数，对编队误差 和 进行约束，具体约束如下所示
和 均为大于零的可设计参数，并且须满足关系： 和 其
中 和 表示允许的最大稳态误差值。合理的选取上述参数可以使得误差 满足
预设的暂态性能(主要指收敛速度和超调量)和稳态性能(主要指稳态误差)。
有出现以下两种情况， 的取值才会无限大或无限小:当 时， 当
时， 因此能够通过确保函数 的有界性来保证误差 始终不
违反式预设的暂态和稳态约束；定义 由于函数 不是一个正定函
数，因此重新构造一种基于李雅普洛夫函数进行控制设计的非负函数，称为对数障碍李雅普洛夫函数，具体如下：
和 满足如下关系：当顶点i是边
kij的头部时，Δ(i,kij)＝1；当顶点i是边kij的尾部时，Δ(i,kij)＝-1；否则Δ(i,kij)＝0；
角； 和 分别对应第k条边上无人艇jk的前进速度和横荡速度； 对应第k条边上无人艇ik的转向角速度； 和 的形式如下
是关于系统状态变量的函数。
具体实施方式
{1,2,,…,N}中的每个顶点对应有相同编号的跟随者无人艇； 是有
限集合，称之为边集，每条边对应有相同编号且能互相通信的相邻无人艇。无向图 的邻接矩阵A＝(aij)(N+1)×(N+1)具有如下性质：
4。五个跟随者的邻居集分别为
和 如图4所示的是无人艇编队系统在相平面上的
实际轨迹图。
差的边界函数，对编队误差 和 进行约束。具体约束如下所示
和 均为大于零的可设计参数，并且须满足关系： 和 其
中 和 表示允许的最大稳态误差值。合理的选取上述参数可以使得误差 满
足预设的暂态性能(主要指收敛速度和超调量)和稳态性能(主要指稳态误差)。
有出现以下两种情况， 的取值才会无限大或无限小:当 时， 当
时， 因此可以通过确保函数 的有界性来保证误差 始终不
违反式预设的暂态和稳态约束。定义 由于函数 不是一个正定函
数，因此重新构造一种基于李雅普洛夫函数进行控制设计的非负函数，称为对数障碍李雅普洛夫函数，具体如下
和 Δ(i,kij)满足如下关系：当顶点i是边
kij的头部时，Δ(i,kij)＝1；当顶点i是边kij的尾部时，Δ(i,kij)＝-1；否则Δ(i,kij)＝0。
角； 和 分别对应第k条边上无人艇jk的前进速度和横荡速度； 对应第k条边上无人艇ik的转向角速度； 和 的形式如下
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 复合流体分离 | 2020-05-13 | 491 |
| 一种两轮机动车驾驶行为的判别装置及判别方法 | 2020-05-14 | 426 |
| 利用加速度传感器计算车辆转向参数的方法 | 2020-05-15 | 413 |
| 一种离心式过载加速度计检测装置 | 2020-05-21 | 566 |
| 一种伸缩式多功能离心机支架结构 | 2020-05-18 | 734 |
| 利用向心加速度以激发具有自有资讯微型流态系统之中的液体运动的装置和方法 | 2020-05-11 | 541 |
| 一种胎压监测系统故障判断方法 | 2020-05-19 | 947 |
| 一种农业机械非直线作业向心加速度估算及倾角融合方法 | 2020-05-11 | 736 |
| 一种能自动提供向心加速度的汽车座椅 | 2020-05-12 | 380 |
| 匀速圆周运动向心加速度演示仪 | 2020-05-11 | 587 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
