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申请/专利权人：哈尔滨工程大学

摘要：一种欠驱动水面无人艇集群系统分布式预设时间包含控制编队方法，属于水面无人艇集群控制技术领域。为了解现有的欠驱动USV集群控制存在系统稳定性差的问题，本发明采用预设时间方法设计了自适应扰动观测器，利用自身速度信息在预设时间内观测USV模型中存在的广义不确定项；然后设计了一个预设时间指令滤波器来，并采用反步法和变量代换的方法，为每个USV设计了预设时间分布式制导律；同时，设计了一个预设时间滤波补偿系统对滤波误差进行了补偿。并且在控制器设计中引入了一个抗饱和辅助系统来补偿输入饱和问题对系统稳定性的影响。结合Lyapunov稳定性设计得到根据虚拟制导律和包含控制器，用于对欠驱动水面无人艇集群系统的控制。

主权项：1.一种欠驱动水面无人艇集群系统分布式预设时间包含控制编队方法，其特征在于，包括：针对欠驱动水面无人艇集群系统，确定第i个跟随者USV的平面三自由度的运动学和动力学方程最终模型 式中，参数表示由不确定参数、未建模动力学以及外部环境扰动组成的广义不确定项，Mi*-1表示第i个跟随者的刚体质量-惯性矩阵Mi*的逆矩阵；vi、Mi、ΔMi、τi、Δτi、τiw、Rψi、Cvi、Dvi表示第i个跟随者对应的v、M、ΔM、τ、Δτ、τw、Rψ、Cv、Dv，其中η＝[x,y,ψ]T表示USV在地球坐标系下的位置坐标和艏摇角组成的向量，为的η一阶导数，参数上面的·均表示对应参数的一阶导数；v＝[u,υ,r]T表示船体坐标系下的纵荡速度、横荡速度以及艏摇角速率组成的向量，M表示USV的质量-惯性矩阵，包括刚体质量-惯性矩阵M*以及未知附加质量-惯性矩阵ΔM；表示USV的控制输入，其中变量τu和τr分别表示纵向推力和艏摇力矩；Δτ为饱和差值；τwt表示由外部环境引起的未知时变扰动力；Rψ为三自由度坐标旋转矩阵，Cv为科氏力-向心力系数矩阵，Dv为非线性阻尼系数矩阵；通过预设时间自适应扰动观测器观测系统以实时估计不可测量的外部扰动，所述预设时间自适应扰动观测器为 式中，变量是广义不确定项fi的观测值，表示一个光滑函数；ρi表示观测器的中间虚拟变量，表示ρi的一阶导数；表示预设时间标量函数μ1t的一阶导数；自适应参数表示对广义不确定项导数的2范数上界值βi的自适应估计值，表示的一阶导数；λ3为观测器系数；根据虚拟制导律和包含控制器对欠驱动水面无人艇集群系统进行控制；所述虚拟制导律如下： 式中，表示μ3t的一阶导数，变量表示误差变换后新的误差变量，变量表示每艘USV的分布式包含误差，变量表示第i个USV的坐标旋转矩阵，变量表示第j个邻居USV的坐标旋转矩阵，变量和变量ri表示第i个USV的艏摇角速率，变量表示虚拟领航者的位置坐标的一阶导数；变量参数γ1表示制导律系数，并且常数矩阵变量ξ1i表示滤波补偿变量；λmax表示矩阵Gi的最大特征值，di表示第i个跟随者的通信拓扑图的总度数，δ0表示一个正常数；包含控制器提供的控制输入如下： 式中，表示预设时间函数的一阶导数，变量表示误差变换后新的误差变量，表示滤波变量的一阶导数，变量表示速度信号的跟踪误差，变量表示分布式包含误差，变量qi表示抗饱和辅助系统的输出变量，变量J2i是为了实现预设时间稳定收敛而定义的新的误差变量；参数γ2、γ3表示控制量系数；变量ξ2i表示滤波补偿变量。

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