一种固定时间无人艇精确协同路径跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及无人艇协同控制领域，尤其涉及一种固定时间无人艇精确协同路径跟踪控制方法。

背景技术

无人艇在现代的实际应用环境中表现良好，具有高度的自主性和灵活性。因此，对无人艇的研究和应用越来越受到人们的重视。随着任务复杂性的增加，在实际应用中，无人水面艇通常需要在存在干扰的情况下协同完成各项任务，例如海上防御、环境监测、海上搜索等。完成这些动作的重要基础是无人艇具有精准的协同路径跟踪的能力。因此，解决复杂情况下的精确协同路径跟踪问题具有重要意义。

目前，关于无人艇的协同控制策略有着较多的设计方法。但现有方案中依然存在以下问题：

1、基于现有的多无人艇协同路径跟踪控制方案，无人艇在受到模型不确定性、执行器故障及环境干扰的情况下，控制效果不理想且系统稳定的收敛时间较长、收敛过程误差超调较大，无法满足快速、精确、鲁棒性强的控制需求。

2、基于现有的多无人艇协同路径跟踪控制方案，控制系统一般由顶层制导控制和底层动力学控制组成。而一些利用固定时间对控制效果的改进通常只是针对了制导控制或动力学控制，未能使无人艇协同路径跟踪系统整体达到固定时间稳定。

3、基于现有的多无人艇协同路径跟踪控制方案，虽然有通过事件触发机制在一定程度上减少执行器的更新频率，但是仍有提高空间。

发明内容

本发明提供一种固定时间无人艇精确协同路径跟踪控制方法，以克服上述技术问题。

一种固定时间无人艇精确协同路径跟踪控制方法，包括，

S1：构建无人艇的协同运动模型，所述协同运动模型包含由模型不确定性、执行器故障及环境干扰构成的集成扰动，

S2：构建无人艇的路径参数和对应的参考路径，设计固定时间路径参数更新律，并获取更新后的参考路径，

S3：基于无人艇的协同运动模型和更新后的参考路径设计无人艇的位置跟踪误差方程，根据位置跟踪误差方程设计无人艇的固定时间航速航向制导律，

S4：设计固定时间扰动观测器，所述固定时间扰动观测器用于对集成扰动进行估计，

S5：构建误差性能指标函数，设计动态事件触发机制，所述动态事件触发机制用于对无人艇上执行器的执行次数进行约束，设计纵向和艏向滑膜函数，

S6：基于固定时间扰动观测器、速度期望值、误差性能指标函数、动态事件触发机制与纵向和艏向滑膜函数设计速度控制律，所述速度控制律用于控制无人艇的速度在固定时间内与速度期望值的误差收敛于原点。

优选地，所述S1包括根据公式(1)、(2)构建第i艘无人艇的运动学模型与动力学模型，

其中，η

式中，E是推进器效率矩阵，I为单位矩阵；τ

根据公式(1)(2)得到无人艇协同运动模型：

其中，m

优选地，所述S2包括将第i艘无人艇的路径参数表示为ω

其中，ω

优选地，所述S3包括根据无人艇的位置和参考路径得到位置跟踪误差方程，位置跟踪误差方程为公式(8)，公式(9)为固定时间航速航向制导律，根据公式(10)得到固定时间T

其中，y

优选地，所述S4包括根据公式(11)表示无人艇的固定时间扰动观测器，根据公式(12)得到固定时间T

其中，κ

τ

优选地，所述S5包括根据公式(13)表示误差性能指标函数，根据公式(14)表示动态事件触发机制，根据公式(15)表示纵向和艏向滑膜函数，

λ(t)＝(λ

其中，l＞0，e代表速度误差，t代表时间，初始误差0＜|e(0)|＜λ

优选地，所述S6包括根据公式(16)表示速度控制律，根据公式(17)得到固定时间T

其中，τ

本发明提供一种固定时间无人艇精确协同路径跟踪控制方法，与现有的多无人艇协同路径跟踪方法相比，本发明将固定时间理论同时融入到固定时间航速航向制导律、固定时间路径参数更新律、速度控制律以及固定时间扰动观测器中，使得整个协同跟踪系统实现了在总的固定时间内稳定；与现有的无人艇控制律相比，由于动态事触发机制的融入，执行器的执行频率得到降低；与现有的抗干扰控制相比，本发明同时考虑了三种干扰，即模型不确定性、执行器故障及环境干扰，并通过固定时间扰动观测器对其进行准确估计。综上所述，本发明能够实现在多种干扰的情况下，使多无人艇进行准确的协同路径跟踪控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明策略流程图；

图2是本发明控制结构框图；

图3是本发明无人艇协同路径跟踪的效果；

图4是本发明无人艇路径跟踪的纵向跟踪误差；

图5是本发明无人艇路径跟踪的横向跟踪误差；

图6是本发明无人艇的纵向速度的跟踪误差；

图7是本发明无人艇的艏向角速度的跟踪误差；

图8是本发明动态事件触发的触发时间间隔；

图9是本发明纵向扰动的估计效果；

图10是本发明艏向扰动的估计效果。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明策略流程图，如图1所示，本实施例的方法可以包括：

S1：构建无人艇的协同运动模型，所述协同运动模型包含由模型不确定性、执行器故障及环境干扰构成的集成扰动，

S2：构建无人艇的路径参数和对应的参考路径，设计固定时间路径参数更新律，并获取更新后的参考路径，

S3：基于无人艇的协同运动模型和更新后的参考路径设计无人艇的位置跟踪误差方程，根据位置跟踪误差方程设计无人艇的固定时间航速航向制导律，

S4：设计固定时间扰动观测器，所述固定时间扰动观测器用于对集成扰动进行估计，

S5：构建误差性能指标函数，设计动态事件触发机制，所述动态事件触发机制用于对无人艇上执行器的执行次数进行约束，设计纵向和艏向滑膜函数，

S6：基于固定时间扰动观测器、速度期望值、误差性能指标函数、动态事件触发机制与纵向和艏向滑膜函数设计速度控制律，所述速度控制律用于控制无人艇的速度在固定时间内与速度期望值的误差收敛于原点。

基于上述方案，与现有的多无人艇协同路径跟踪方法相比，本发明将固定时间理论同时融入到固定时间航速航向制导律、固定时间路径参数更新律、速度控制律以及固定时间扰动观测器中，使得整个协同跟踪系统实现了在总的固定时间内稳定；与现有的无人艇控制律相比，由于动态事触发机制的融入，执行器的执行频率得到降低；与现有的抗干扰控制相比，本发明同时考虑了三种干扰，即模型不确定性、执行器故障及环境干扰，并通过固定时间扰动观测器对其进行准确估计。综上所述，本发明能够实现在多种干扰的情况下，使多无人艇进行准确的协同路径跟踪控制。

具体地，本实施例给出协同路径跟踪策略的详细内容，包括

S1：构建无人艇的协同运动模型，所述协同运动模型包含由模型不确定性、执行器故障及环境干扰构成的集成扰动，

具体地，构建无人艇的协同运动模型作为被控对象，模型中包含了模型不确定性、执行器故障及环境干扰，所述S1包括根据公式(1)、(2)构建第i艘无人艇的运动学模型与动力学模型，

其中，η

式中，E是推进器效率矩阵，I为单位矩阵；τ

根据公式(1)(2)得到无人艇协同运动模型：

其中，m

S2：构建无人艇的路径参数和对应的参考路径，设计固定时间路径参数更新律，

具体地，为了使无人艇进行协同路径跟踪，利用固定时间一致性计算各路径参数，使路径参数在固定时间内趋于一致，并得到各条参考路径，所述S2包括将第i艘无人艇的路径参数表示为ω

其中，ω

S3：基于无人艇的协同运动模型和更新后的参考路径设计无人艇的位置跟踪误差方程，根据位置跟踪误差方程设计无人艇的固定时间航速航向制导律，

具体地，根据已构建的运动学模型和参考路径计算无人艇的跟踪误差方程，从而设计无人艇的固定时间航速航向制导律，加快位置误差的收敛速度，减小位置稳态误差值，也为后续的速度控制提供期望值，所述S3包括根据无人艇的位置和参考路径得到位置跟踪误差方程，位置跟踪误差方程为公式(8)，公式(9)为固定时间航速航向制导律，根据公式(10)得到固定时间T

其中，y

S4：为了解决模型中的扰动问题，设计固定时间扰动观测器，

具体地，为了消除模型不确定性、执行器故障及环境干扰的影响，引入固定时间扰动观测器对所形成的集总扰动进行估计补偿，所述S4包括根据公式(11)表示无人艇的固定时间扰动观测器，根据公式(12)得到固定时间T

其中，κ

τ

S5：构建误差性能指标函数，设计动态事件触发机制，所述动态事件触发机制用于对无人艇上执行器的执行次数进行约束，设计纵向和艏向滑膜函数，

具体地，为了准确跟踪速度期望值，设计带有指定性能的固定时间事件触发滑模控制器，加快速度误差的收敛，减小速度稳态误差值。同时通过指定性能将误差收敛区域限定在一个较小的区域，提升动态过程。并利用动态事件触发机制进一步减少非必要的执行器更新，所述S5包括根据公式(13)得到误差性能指标函数，考虑系统的动态性能和稳态性能，选择误差性能指标函数来设计速度控制器，从而对速度的跟踪误差进行约束；由于周期时间触发作用下执行器的动作频繁，引入动态事件触发机制来减少执行频率，根据公式(14)表示动态事件触发机制；为了进一步提高系统的鲁棒性，根据公式(15)表示纵向和艏向滑膜函数，

λ(t)＝(λ

其中，l＞0，e代表速度误差，t代表时间，初始误差0＜|e(0)|＜λ

S6：基于速度期望值、误差性能指标函数、动态事件触发机制与纵向和艏向滑膜函数设计速度控制律，所述速度控制律用于控制无人艇的速度跟踪上速度期望值。在固定时间T

具体地，所述S6包括根据公式(16)表示速度控制律，根据公式(17)得到固定时间T

其中，τ

为了排除芝诺行为的发生，即执行器频繁动作的情况，分析计算事件触发时间间隔的正下界：

由于该正下界的存在，确保不会产生芝诺行为。其中，

具体地，对本实施例提出的方法进行仿真实验：

无人艇的模型参数为：m

模型的不确定性设置为：Δm

外部干扰为：

执行器故障的相关参数选择为：E＝diag(0.8 0.8 0.8)，

选择参考路径为：

无人艇的初始位置为：η

无人艇的初始速度是v

路径参数更新率的参数，α

固定时间航速航向制导律的参数为：k

固定时间扰动观测器的参数为：κ

动力学控制器的参数为：ζ

图2是控制结构框图，主要由固定时间路径参数更新模块、固定时间扰动观测器、固定时间制导律和固定时间控制器组成。固定时间路径参数更新模块将路径参数信息传入到参考路径模块，结合无人艇的实际位置信息计算位置误差并传入固定时间制导律模块。制导律模块得到参考纵向速度和艏向速度传入固定时间控制器模块，在满足触发条件的情况下，融入扰动观测器的补偿部分后，产生控制量作用于无人艇。

图3-图10是仿真效果图。图3展示了无人艇协同路径跟踪的效果。图4、图5为无人艇路径跟踪的纵向跟踪误差和横向跟踪误差，可见误差收敛速度较快且稳态误差较小。图6、图7为无人艇的纵向速度和艏向角速度的跟踪误差，可见速度误差严格被限制在指定区域内，动态性能良好。图8为动态事件触发的触发时间间隔，大大减小了执行器的更新频率。图9、图10为纵向扰动和艏向扰动的估计效果，可见估计值与实际扰动较吻合。本发明提出了一种基于扰动观测器的带有指定性能约束的固定时间事件触发滑膜无人艇协同路径跟踪控制方法。在顶层任务中，利用固定时间理论设计制导律，并实现路径参数的固定时间一致性。在底层任务中，主要结合固定时间理论和指定性能约束对无人艇的速度误差的动态性能和稳态性能进行提升。为了减少执行器动作次数，设计一种基于动态事件触发机制的更新条件，并且可以排除Zeno行为。

整体的有益效果：

本发明提供一种固定时间无人艇精确协同路径跟踪控制方法，与现有的多无人艇协同路径跟踪方法相比，本发明将固定时间理论同时融入到固定时间航速航向制导律、固定时间路径参数更新律、速度控制律以及固定时间扰动观测器中，使得整个协同跟踪系统实现了在总的固定时间内稳定；与现有的无人艇控制律相比，由于动态事触发机制的融入，执行器的执行频率得到降低；与现有的抗干扰控制相比，本发明同时考虑了三种干扰，即模型不确定性、执行器故障及环境干扰，并通过固定时间扰动观测器对其进行准确估计。综上所述，本发明能够实现在多种干扰的情况下，使多无人艇进行准确的协同路径跟踪控制。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各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各实施例技术方案的范围。