基于切换动态事件触发策略的无人艇控制器设计方法

技术领域

本发明涉及无人艇控制器设计方法，尤其是涉及一种基于切换动态事件触发策略的无人艇控制器设计方法。

背景技术

随着海洋经济的快速发展，无人艇作为一类自动化和智能化的船舶，在航运、军事、巡逻搜救、地质勘测等领域具有广泛的应用前景。无人艇控制系统作为无人艇的核心模块，控制无人艇的运行。无人艇控制系统主要包括控制器、执行器和传感器，传感器实时检测无人艇的状态数据发送给控制器，控制器基于传感器检测的无人艇的状态数据生成对应的控制指令去控制执行器实行具体的运行。

传统的无人艇控制器设计方法大都基于周期性的更新策略，执行器动作频繁，由此导致通信资源占用较大和执行器寿命降低问题。目前，事件触发策略已经得到广泛研究，并且逐渐被应用于无人艇的控制器设计方法。基于事件触发策略的无人艇控制器设计方法，主要是根据无人艇状态智能决策控制器的更新时间点，由此在保证控制性能的前提下降低通信资源占用和延长执行器寿命。

现有的基于事件触发策略的无人艇控制器设计方法中涉及到的事件触发参数是不变的，且事件触发策略是集中式的。事件触发参数不变将会导致事件触发策略存在较大的保守性，事件触发策略是集中式又会导致多执行器系统中部分执行器被动更新。如申请号为CN202210338174.3的中国专利申请中公开的无人艇集群分布式安全控制方法和申请号为CN202210410554.3的中国专利申请中公开的基于动态事件触发的无人艇无模型控制方法。由此，现有的基于事件触发策略的无人艇控制器设计方法在事件触发策略对通信资源节约和执行器寿命延长不充分，有存在较大的改进空间。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种对通信资源节约和执行器寿命延长比较充分的基于切换动态事件触发策略的无人艇控制器设计方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于切换动态事件触发策略的无人艇控制器设计方法，包括以下步骤：

步骤(1)：根据牛顿-欧拉法建立如下式(1)所示的无人艇三自由度运动方程：

其中，M＝diag{m

步骤2、展开无人艇三自由度运动方程，得到式(4)：

其中，

步骤3、定义如式(4)所示坐标映射：

其中，s

其中，

步骤4、定义中间向量x(t)＝[x

其中，C是输出矩阵，

步骤5、为了航行安全，无人艇横摇方向速度和角速度存在上界，将无人艇横摇方向速度上界表示为

规则1：当

规则2：当

规则3：当

规则4：当

其中，M

步骤6、计算模糊规则的隶属度函数：

其中，h

步骤7、基于模糊规则和其隶属度函数得到无人艇的模型如下：

其中，

步骤8、求解控制器参数，设定参数G，满足GB＞0；将λ

其中，Ψ

步骤9、联立步骤8得到的不等式组求解得到参数

步骤10：基于步骤9求解的观测器反馈增益参数，设计如式(21)所示的观测器：

其中，

步骤11、设计如式(22)所示的滑模面：

步骤12、使用不等式f(t)≤ε

其中，ε

步骤13、设计如下式(24)所示的补偿器：

其中，

其中，t

步骤14、基于求解的控制器反馈增益参数和观测器反馈增益参数、设计的滑模面和设计的补偿器，设计如下式(25)所示的控制器：

步骤15、设计如式(26)所示的控制器-执行器信道的切换动态事件触发策略：

其中，inf{}表示最小值函数。

与现有技术相比，本发明的优点在于与现有技术相比，本发明的优点在于通过设计控制器-执行器信道的切换动态事件触发策略，引入动态参数和切换策略，动态调整和切换事件触发策略，有效降低无人艇控制系统对网络带宽的占用，延长执行器寿命，同时，本发明引入哈达玛积运算，针对各个执行器分别应用控制器-执行器信道的切换动态事件触发策略，避免集中式事件触发策略的缺点，进一步降低执行器的更新频率，最后，针对切换动态事件触发策略导致的执行器偏差，通过引入自适应律和滑模面，利用自适应控制技术和滑模算法对执行器偏差进行补偿，由此，本发明的设计方法得到的无人艇控制器在控制过程中能够大幅度降低执行器动作频率，从而大大减少通信资源浪费和提高执行器寿命，通信资源节约和执行器寿命延长均比较充分。

附图说明

图1为本发明的基于切换动态事件触发策略的无人艇控制器设计方法的流程示意图；

图2为现有的基于事件触发策略的无人艇控制器设计方法中所采用的传统事件触发策略下事件触发时刻仿真图；

图3为本发明的基于切换动态事件触发策略的无人艇控制器设计方法中所采用的动态事件触发策略下事件触发时刻仿真图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例：如图1所示，一种基于切换动态事件触发策略的无人艇控制器设计方法，包括以下步骤：

步骤(1)：根据牛顿-欧拉法建立如下式(1)所示的无人艇三自由度运动方程：

其中，M＝diag{m

步骤2、展开无人艇三自由度运动方程，得到式(4)：

其中，

步骤3、定义如式(4)所示坐标映射：

其中，s

其中，

步骤4、定义中间向量x(t)＝[x

其中，C是输出矩阵，

步骤5、为了航行安全，无人艇横摇方向速度和角速度存在上界，将无人艇横摇方向速度上界表示为

规则1：当

规则2：当

规则3：当

规则4：当

其中，M

步骤6、计算模糊规则的隶属度函数：

其中，h

步骤7、基于模糊规则和其隶属度函数得到无人艇的模型如下：

其中，

步骤8、求解控制器参数，设定参数G，满足GB＞0；将λ

其中，Ψ

步骤9、联立步骤8得到的不等式组求解得到参数

步骤10：基于步骤9求解的观测器反馈增益参数，设计如式(21)所示的观测器：

其中，

步骤11、设计如式(22)所示的滑模面：

步骤12、使用不等式f(t)≤ε

其中，ε

步骤13、设计如下式(24)所示的补偿器：

其中，

其中，t

步骤14、基于求解的控制器反馈增益参数和观测器反馈增益参数、设计的滑模面和设计的补偿器，设计如下式(25)所示的控制器：

步骤15、设计如式(26)所示的控制器-执行器信道的切换动态事件触发策略：

其中，inf{}表示最小值函数。

为验证本发明的效果，将本发明的基于切换动态事件触发策略的无人艇控制器设计方法与现有的基于事件触发策略的无人艇控制器设计方法进行对比，其中现有的基于事件触发策略的无人艇控制器设计方法中所采用的传统事件触发策略下事件触发时刻仿真图如图2所示；本发明的基于切换动态事件触发策略的无人艇控制器设计方法中所采用的动态事件触发策略下事件触发时刻仿真图如图3所示。分析图2可知：传统的事件触发策略能使得部分通信间隔大于0.001秒的采样间隔，降低通信频率。但是，大部分通信间隔仍然小于0.01秒，效果有限。分析图3可知：基于本发明提出的切换动态事件触发策略，通信间隔大于传统事件触发策略下的通信间隔，部分通信间隔大于0.1秒，大大降低了通信频率。由此，本发明的基于切换动态事件触发策略的无人艇控制器设计方法相对于现有技术，设计的无人艇控制器在控制过程中能够大幅度降低执行器动作频率，大大减少通信资源浪费和提高执行器寿命，通信资源节约和执行器寿命延长均比较充分。