买专利卖专利找龙图腾，真高效！ 查专利查商标用IPTOP,全免费！专利年费监控用IP管家,真方便！

申请/专利权人：中国船舶科学研究中心

摘要：本发明涉及一种面向水下立体观测的异构编队控制方法，包括基于一致性原理的观测器设计、动力学模型变换、性能函数与误差转换的设计，以及最终的控制器设计，旨在提高海洋观测的效率与覆盖面积。这一防范能够在存在建模不确定性、位置时变扰动等影响下，使编队中跟随者AUV精确地跟踪领航者USV的轨迹，同时保证编队跟踪误差的动态响应和稳态性能满足预先设定的条件。通过理论分析与仿真实验，验证了所提出控制方法的有效性，实现了环境干扰和模型参数不确定情况下的稳定编队控制，具有良好的协同性。

主权项：1.一种面向水下立体观测的异构编队控制方法，其特征在于：包括编队结构及通讯拓扑结构和系统动力学建模：其中，编队结构及通讯拓扑结构：领导者与跟随者之间的通信关系用图表示，节点代表USV和AUV，边代表USV与AUV或AUV之间的通信链路；图由几个子集组成，分别是顶点集边集和加权邻接矩阵图的拉普拉斯矩阵为其中若bi，bk∈ε则aik0，否则aik＝0；bi的邻集定义为此外，当时，为无向图，否则为有向图；其中，系统动力学建模：考虑由1个USV作为领导者和N个AUV作为跟随者组成的多智能体系统在指定深度的平面执行海洋观测任务；由于海洋环境的复杂性和USV与AUV模型自身的强非线性，基于Fossen的三自由度模型，构建系统的动力学模型；其中，第i个航行器i∈N＝[0，1，2，3，...，N]的动力学模型表述如下： 当i＝0时，代表领导者USV的动力学模型；当i＝[1，2，3，...，N]则代表跟随者AUV中第i个AUV的动力学模型；ηi＝[xi，yi，ψi]T表示航行器在惯性坐标系中的位置矢量，包括位移xi，yi和艏摇角ψi；νi＝[ui，υi，ri]T表示航行器在体坐标系中的速度矢量，包括纵荡速度ui、横荡速度υi和艏摇角速度ri； 表示惯性参数矩阵，包含了航行器的重量和附加阻力； 表示科氏力和向心力矩阵； 表示水动力阻尼矩阵； 表示多智能体未建模动力学部分， 表示未知环境扰动； 表示控制输入；惯性坐标系与体坐标系之间的旋转矩阵Jψi表示为： 考虑领导者USV沿参数化路径移动： 式中，为路径变量；引理与假设工作：定义1：如果一个连续函数N：[0，∞→R，满足 则称N为Nussbaum函数；引理1：在t∈[0，ts上定义两个平滑函数ξg和Vg，Vt≥0，如果以下条件符合：Nξ是一个平滑的Nussbaum型偶函数，并且如下满足不等式：其中m0和m1是正常数；gt是一个函数，满足gt∈[l1，l2]，0l1l2或0l2l1；ll和l2表示常数，则Vt和ξt在t∈[0，ts上保持有界；引理2：定义如果|eit|≤ρit且Vit∈L∞成立，i＝1，...，n，则存在一个正常数ki使得|eit|≤ρit-kiρit；引理3：对于任意变量q1、q2和常数ρ，有必要假设：假设1：在通讯拓扑中，跟随者AUV之间是双向联通的，且至少有一个跟随者可以获取领航者AUV的位置和姿态信息假设2：扰动项τd，i及其关于时间的导数均有界；假设3：χ1i的期望值χ1i，d及其导数有界；χ2i和d有界；假设4：其中bmt符号未知，m＝1，2，3；存在正定连续函数bmt和使得假设5：通过观测得到的参考轨迹及其一阶导数和二阶导数都是有界的；步骤一：基于一致性原理构建跟随者对领航者位置信息的观测器；由假设1可知，并非每个跟随者AUV都能直接与领导者USV通讯进而获取位置信息η0；因此，步骤一基于一致性原理设计了一种有限时间观测器，以分布协同的方式估计领导者的位置； 式中，表示第i个跟随者对η0的估计值，β2∈0，1为参数，k10，为观测器增益；步骤二：动力学模型变换：将第i个AUV对领导者USV在惯性坐标系下的位置η0的估计值表示为AUV的推进器的故障影响可以采用推力分配矩阵形式表示，定义为ΔB；因此，实际的控制力与力矩可以改写为τi+Δτi：τi+Δτi＝B0-KBui＝B0+ΔBui6式中：B0代表AUV推力分配矩阵的标称值，B为AUV的推力分配矩阵，ui代表AUV推进器的控制信号，K是一个对角矩阵，其元素kii∈[0，1]，表示相应的推进器故障程度，其中1代表最严重的推进器完全失效；因此，结合1可以得到： 式中：表示AUV的推进器故障影响；考虑到推进器输出中含有增益未知的部分，将该方程进一步改写为未知方向控制模型： 其中为推力分配矩阵标称值B0中恒定的部分，为符号未知的矩阵，代表控制方向未知的部分；跟随者AUV应与领导者USV保持相同的航向角，并保持与领导者USV所期望的相对位置；令ηi＝[xi，yi，ψi]T分别表示领导者USV和跟随者AUV的位置向量；引入中间变量χ1i和χ2i： 定义状态误差ejit＝Xji-χji，d，j＝1，2： 其中X1i，d是χηi的期望值，即第i个跟随者AUV和领导者USV之间的期望相对位置；考虑如下的时变约束问题：系统的输出ηi使得中间变量χ1，i保持在期望相对位置χ1d，i的预先给定邻域内，且邻域半径是时变的；为了实现这个预先给定的时变邻域，让状态误差eijt满足如下的时变约束：|ejit|ρjit11步骤三：设计性能函数与误差转换：设计了一种以cos函数为内核，线性参数修饰的指数衰减的性能函数，以达到对误差进行约束的目的；所设计的性能函数的具体形式如下所示： 在公式中：tθ，和κji为正的设计参数；参数代表了性能函数允许的最大超调量；而κji决定了系统可允许的最大稳态误差；同时tθ定义了性能函数收敛的截止时间；对受约束的误差进行转化是预设性能控制设计的关键步骤；因此，设计如下的误差转化函数： 采用这种误差转化之后可以直接结合Lyapunov稳定性理论证明转化后的误差满足有界的条件，即可得出原误差满足性能约束的结论；步骤四：设计控制器：首先，选取Nussbaum函数： 式中为中介函数，边界幅值始终小于性能函数；其表达式为： 其中ω和γji为设计参数，且每个自由度上然后，设计虚拟控制器：uvi＝χ2i，d＝σiNξ1iε1it18其中σi为设计参数；χ2i，d关于时间的导数为： 所提出的控制器如下： 其中λi和δi为设计参数；应用该控制器可以在控制方向未知，且有环境因素和推进器故障综合影响的情况下，保证系统的状态误差被限定在性能函数规定的范围内，且各信号有界。

全文数据：

权利要求：

百度查询： 中国船舶科学研究中心 一种面向水下立体观测的异构编队控制方法