无人船编队不完全通信下的一致性观测和控制方法及装置

技术领域

本发明涉及自动化技术与现代控制及工程应用领域，尤其是涉及无人船编队不完全通信下的一致性观测和控制方法及装置。

背景技术

现代海洋技术是20世纪50年代后围绕着海洋探测和海洋资源开发技术两方面的变革发展起来的，是当代新兴的科学技术之一。海洋技术的发展目的是为了提升获取数据的精度、准度、广度以及连续性，同时提高获取数据过程的安全性并降低其成本。而海上无人船作为一种无人驾驶运载工具，具有体积小、操作简单、安全系数高、成本低等优点，正好契合海洋技术的目的。近年来，随着人工智能、物联网、大数据等新科技的发展及其在航运、船舶工业领域的融合应用，无人船技术得到快速发展。无人船分为具有自主规划、自主航行、自主环境感知能力的全自动无人舰艇，以及按照内置程序航行并执行任务的半自主型无人船艇。它集船舶设计、人工智能、信息处理、运动控制等专业技术为一体，在海上执行情报收集、监视侦察、扫雷、反潜、反恐、精确打击、搜寻救助、水文地理勘察、中继通信等任务。无人船编队作业，是指将多艘无人船按一定的队形进行排列，并实现编队的动态调整功能。无人船编队通过多艘船舶组合，充分发挥团体协同工作的优势，适用多变环境及任务情况，增加了高效和高成功率地完成复杂任务的可能性。

目前，对无人船编队系统进行研究时，一般将每一艘无人船视为一个智能体，进而建立多智能体模型。基于多智能体模型的无人船编队控制获得广泛应用。然而，这种模型忽略了系统状态的正性，如无人船的水平位置、速度和加速度等都具有非负特性。因此，采用一般多智能体模型描述无人船编队控制系统会产生冗余数据，造成控制协议设计难度的提升和设计过程中资源浪费。

本发明通过状态变量反应系统的内部特性，通过状态反馈更有效地改善系统的性能，状态反馈实施的前提是系统状态必须是可测量得到的，然而，由于实际无人船编队系统中有各种物理或经济上的限制，造成系统中一些状态无法测量得到。状态信息的不完全进一步导致系统的不完全通信现象发生。

无人船编队是由多艘无人船组成，由于存在船间效应，风向，和水流等影响，对无人船的控制方法，应当具备准确性，快速性和稳定性。而一般的控制方法，需要事先调整数量巨大的控制参数，并在控制过程中频繁地切换参数，控制协议设计任务十分繁重。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明基于正多智能体模型、观测器和PID控制协议，实现无人船编队的可观测、及时调参、精准调控，保证无人船编队系统正常运行，充分考虑实际系统的参数数量多、系统状态非负性等特点，提高应用价值的实现目的，本发明采用如下的技术方案：

无人船编队不完全通信下的一致性观测和控制方法，包括如下步骤：

步骤1、根据收集的无人船编队数据，建立无人船编队系统的状态空间模型；

步骤2、因为无人船编队系统中有些状态不可直接测量得到，所以构建观测器，基于无人船系统观测各艘无人船的状态，并反馈控制台；

步骤3、基于步骤2中的观测器，构造无人船编队控制系统的控制律；

步骤4、构造基于观测器的PID控制协议；

步骤5、基于PID控制协议，构建无人船编队系统的矩阵形式；

步骤6、为步骤5形成的闭环系统建立正性和稳定性的条件。

进一步地，所述步骤1具体包括如下步骤：

步骤1.1、构建无人船编队系统；通过基于无人船系统获取无人船数据，经控制台处理后，再向无人船系统反馈控制信号，通过构建的无人船编队系统以描述实际的系统；

步骤1.2、将无人船编队中的每艘无人船，作为相同的非负智能体，建立无人船编队系统的状态空间表达式：

x

y

其中，

进一步地，所述步骤2中的观测器，为无人船编队系统的状态观测器：

其中，

进一步地，所述步骤3中，控制率的结构形式如下：

其中K

进一步地，所述步骤4的PID控制协议如下：

其中，选择

其中，I表示单位矩阵。

进一步地，所述步骤5中的矩阵形式的构建如下：

选择

其中，矩阵形式如下所示：

其中，I

进一步地，所述步骤6中的条件，即步骤2的观测器是正性的并与步骤1.2的系统达到一致性的条件：

给定常量λ

/>

δ

(d-1)ξ

其中，系统中的矩阵形式如下：

其中，λ

进一步地，所述方法还包括步骤7、验证无人船编队闭环控制系统为正：

根据步骤6中的公式(6-1)、(6-4)和矩阵形式，得到：

进一步地，所述方法还包括步骤8、验证无人船编队闭环控制系统的稳定性，具体包括如下步骤：

步骤8.1、构建李雅普诺夫-克拉索夫斯基函数：

其中，

并且

步骤8.2、系统的差分方程如下：

根据步骤6中的矩阵形式，得到：

其中，

步骤8.3根据步骤6中的公式(6-4)至公式(6-11)，以及矩阵形式，得到：

所以，结合步骤6的公式(6-8)至公式(6-12)，步骤8.2中的矩阵形式，以及步骤8.3的公式(8-1)至公式(8-4)，得到：

综合以上步骤，得到

无人船编队不完全通信下的一致性观测和控制装置，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述一个或多个处理器执行所述可执行代码时，用于实现所述的无人船编队不完全通信下的一致性观测和控制方法。

本发明的优势和有益效果在于：

本发明的无人船编队不完全通信下的一致性观测和控制方法及装置，采用现代控制理论技术建立无人船编队系统的状态空间模型，根据正多智能体系统，设计基于观测器的PID控制协议，最终使编队中的每艘无人船都可以达到期望值。与现有的无人船编队系统的控制方法相比，本发明基于正多智能体系统理论建模更加符合实际的系统，运用观测器得到无人船编队的实时数据，采用PID控制协议的结构简单、具有较强的鲁棒性、工作可靠、操作简单、便于调节、易被工程师理解等诸多优点，PID控制协议中的比例单元起到纠正偏差的作用，使系统反应迅速，微分单元可以克服振荡，提高系统的稳定性，积分单元能改善系统的静态特性，既保证系统相应的快速性，又消除系统偏差，起到纠正偏差的作用，使系统反应迅速，无人船编队模型更符合实际，突破不完全通信造成的控制性能瓶颈，提高无人船编队在海上作业的适应性、系统的精度，通过控制协议辅助增益的引入，并进一步保证系统的安全可靠运行。

附图说明

图1是本发明实施例中无人船编队不完全通信下的一致性观测和控制方法的流程图。

图2是本发明实施例中无人船编队系统框图。

图3是本发明实施例中PID控制协议的系统框图。

图4是本发明实施例中无人船编队不完全通信下的一致性观测和控制装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图1所示，以无人船编队系统为研究对象，以每艘无人船传输的数据和观测器观测到的数据为输入，以PID控制协议调整的参数为输出，建立了该无人船编队系统的动态模型。

无人船编队不完全通信下的一致性观测和控制方法，包括如下步骤：

步骤1、根据收集的无人船编队数据，建立无人船编队系统的状态空间模型。

步骤1.1、构建无人船编队系统；通过基于无人船系统获取无人船数据，经控制台处理后，再向无人船系统反馈控制信号，通过构建的无人船编队系统以描述实际的系统。

如图2所示，每艘无人船和观测器上传的数据发送到控制台的信号接收端，之后控制台的信号发送端将处理后的信号传送回每艘无人船，由此构成一个信号传输的完整过程。考虑到每艘无人船都可以看作一个智能体，传输的数据具有非负性，因此建立了正多智能体模型。为了无人船编队系统能够做到数据准确、响应快速、系统稳定，所以采用了基于观测器的PID控制协议的方法，如图3所示。

步骤1.2、将无人船编队中的每艘无人船，作为相同的非负智能体，建立无人船编队系统的状态空间表达式：

x

y

其中，

步骤2、因为无人船编队系统中有些状态不可直接测量得到，所以构建观测器，基于无人船系统观测各艘无人船的状态并反馈控制台；

由于正龙伯格观测器不能用于对系统进行镇定，因此设计了另外一种观测器，该观测器为无人船编队系统的状态观测器：

其中，

步骤3、基于步骤2中的观测器，构造无人船编队控制系统的控制律，其结构形式如下：

其中K

步骤4、构造基于观测器的PID控制协议：

其中，选择

其中，I表示单位矩阵。

步骤5、基于PID控制协议，构建无人船编队系统的矩阵形式；

选择

其中，矩阵形式如下所示：

其中，I

步骤6、设计步骤5的形成的闭环系统为正性和稳定性的条件，即步骤2的观测器是正性的并与步骤1.2的系统达到一致性的条件：

给定常量λ

δ

(d-1)ξ

其中，系统中的矩阵形式如下：

其中，λ

步骤7、验证无人船编队闭环控制系统为正：

根据步骤6中的公式(6-1)、(6-4)和矩阵形式，得到：

步骤8、无人船编队闭环控制系统的稳定性验证过程，包括如下步骤：

步骤8.1、构建李雅普诺夫-克拉索夫斯基函数：

其中，

并且

步骤8.2、系统的差分方程如下：

根据步骤6中的矩阵形式，得到：

其中，

步骤8.3根据步骤6中的公式(6-4)至公式(6-11)，以及矩阵形式，得到：

所以，结合步骤6的公式(6-8)至公式(6-12)，步骤8.2中的矩阵形式，以及步骤8.3的公式(8-1)至公式(8-4)，得到：

综合以上步骤，得到

与前述无人船编队不完全通信下的一致性观测和控制方法的实施例相对应，本发明还提供了无人船编队不完全通信下的一致性观测和控制装置的实施例。

参见图4，本发明实施例提供的无人船编队不完全通信下的一致性观测和控制装置，包括存储器和一个或多个处理器，存储器中存储有可执行代码，所述一个或多个处理器执行所述可执行代码时，用于实现上述实施例中的无人船编队不完全通信下的一致性观测和控制方法。

本发明无人船编队不完全通信下的一致性观测和控制装置的实施例可以应用在任意具备数据处理能力的设备上，该任意具备数据处理能力的设备可以为诸如计算机等设备或装置。装置实施例可以通过软件实现，也可以通过硬件或者软硬件结合的方式实现。以软件实现为例，作为一个逻辑意义上的装置，是通过其所在任意具备数据处理能力的设备的处理器将非易失性存储器中对应的计算机程序指令读取到内存中运行形成的。从硬件层面而言，如图4所示，为本发明无人船编队不完全通信下的一致性观测和控制装置所在任意具备数据处理能力的设备的一种硬件结构图，除了图4所示的处理器、内存、网络接口、以及非易失性存储器之外，实施例中装置所在的任意具备数据处理能力的设备通常根据该任意具备数据处理能力的设备的实际功能，还可以包括其他硬件，对此不再赘述。

上述装置中各个单元的功能和作用的实现过程具体详见上述方法中对应步骤的实现过程，在此不再赘述。

对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现上述实施例中的无人船编队不完全通信下的一致性观测和控制方法。

所述计算机可读存储介质可以是前述任一实施例所述的任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元，例如硬盘或内存。所述计算机可读存储介质也可以是任意具备数据处理能力的设备的外部存储设备，例如所述设备上配备的插接式硬盘、智能存储卡(Smart Media Card，SMC)、SD卡、闪存卡(Flash Card)等。进一步的，所述计算机可读存储介质还可以既包括任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元也包括外部存储设备。所述计算机可读存储介质用于存储所述计算机程序以及所述任意具备数据处理能力的设备所需的其他程序和数据，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。