【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及航行器編隊(duì)控制，尤其涉及基于los約束的水下航行器編隊(duì)控制方法及系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
1、在水面航行器編隊(duì)控制領(lǐng)域，編隊(duì)之間的有效通信是實(shí)現(xiàn)協(xié)同作業(yè)的關(guān)鍵所在。傳統(tǒng)的無(wú)線電通信方式，盡管因其傳輸距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣而被廣泛應(yīng)用，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，其容錯(cuò)能力和可靠性卻面臨諸多挑戰(zhàn)。尤其是在復(fù)雜多變的海洋環(huán)境中，無(wú)線電信號(hào)易受干擾，導(dǎo)致通信質(zhì)量下降，甚至可能出現(xiàn)通信中斷的情況，這對(duì)水面航行器的編隊(duì)控制和協(xié)同作業(yè)構(gòu)成了威脅。
2、鑒于此，研究者們開始尋求更為穩(wěn)健的通信方式，以增強(qiáng)水面航行器編隊(duì)控制的可靠性和穩(wěn)定性。視覺傳感器作為一種重要的信息傳遞手段，因其具有直觀、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)而備受矚目。通過(guò)視覺傳感器，水面航行器可以實(shí)時(shí)獲取周圍環(huán)境的圖像信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)狀態(tài)信息的傳遞和共享。然而，當(dāng)前的研究工作大多聚焦于提升跟蹤控制的精確度和穩(wěn)定性上，而對(duì)于傳感器視場(chǎng)角度的制約因素則關(guān)注較少。在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器視場(chǎng)角的限制可能導(dǎo)致信息傳遞的不完整或失真，進(jìn)而影響編隊(duì)控制的準(zhǔn)確性和可靠性。
3、此外，水面航行器在編隊(duì)過(guò)程中，還需要考慮航行器之間的相對(duì)位置和角度關(guān)系，以及環(huán)境干擾等因素對(duì)編隊(duì)控制的影響。如何實(shí)現(xiàn)局部通信下具有l(wèi)os約束的水下航行器編隊(duì)控制，以及如何實(shí)現(xiàn)水面航行器的分布式編隊(duì)控制，是當(dāng)前研究面臨的重要問(wèn)題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為了解決上述問(wèn)題，本專利技術(shù)的目的在于提供一種基于los約束的水下航行器編隊(duì)控制方法及系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)局部通信和有限感知條件下水面航
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采用以下技術(shù)方案：
3、一種基于los約束的水下航行器編隊(duì)控制方法，包括以下步驟：
4、s1：建立水下航行器編隊(duì)控制數(shù)學(xué)模型；
5、s2：基于水下航行器的數(shù)學(xué)模型，定義隊(duì)形的跟蹤誤差，設(shè)計(jì)障礙李雅普諾夫函數(shù)處理視距約束，保證水下航行器的連通性和安全性；
6、s3：在滿足連通性和安全性的前提下，設(shè)計(jì)局部通信下具有l(wèi)os約束的自適應(yīng)積分制導(dǎo)策略；
7、s4：構(gòu)建有限時(shí)間觀測(cè)器，擬合模型中的干擾變量，并使用擬合的近似值來(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)的控制輸入，以抑制環(huán)境干擾，提高機(jī)器人的跟蹤精度；
8、s5：基于自適應(yīng)積分制導(dǎo)策略混合有限時(shí)間觀測(cè)器設(shè)計(jì)約束編隊(duì)控制器，實(shí)現(xiàn)局部通信下具有l(wèi)os約束的水下航行器編隊(duì)控制。
9、進(jìn)一步的，水下航行器編隊(duì)控制數(shù)學(xué)模型為考慮前向、橫向、艏搖三自由度的水平面運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型：
10、設(shè)水下航行器編隊(duì)包括條水下航行器，編號(hào)從0到；設(shè)水下航行器為領(lǐng)導(dǎo)者，領(lǐng)導(dǎo)整體的隊(duì)列運(yùn)動(dòng)，其余自動(dòng)控制的水下航行器為跟隨者，其中；第個(gè)水下航行器的動(dòng)力學(xué)方程如下所示：
11、
12、其中,為第個(gè)水下航行器在地球固定坐標(biāo)系的質(zhì)心坐標(biāo)，和分別為第個(gè)水下航行器在地球固定坐標(biāo)系中和方向上的速度分量，為第個(gè)水下航行器的偏航角，為第個(gè)水下航行器的偏航角隨時(shí)間變化率，、,和分別表示第個(gè)水下航行器的前向，橫向和偏航速度，利用拉格朗日力學(xué)方程，對(duì)慣性參數(shù)加入擾動(dòng)和水動(dòng)阻尼系數(shù)；
13、因此，水下航行器動(dòng)力學(xué)模型為：
14、
15、式中，、和分別表示第個(gè)水下航行器的前向，橫向和偏航速度變化率，和分別表示第個(gè)水下航行器的前向力矩和偏航力矩，為模型的慣性參數(shù)，其中系統(tǒng)參數(shù)和擾動(dòng)參數(shù)分別定義為：
16、
17、
18、其中，為動(dòng)力學(xué)擾動(dòng)，分別為第個(gè)水下航行器的水動(dòng)阻尼參數(shù)。
19、進(jìn)一步的，s2具體為：
20、定義跟隨者和領(lǐng)航者之間 t時(shí)刻的相對(duì)距離 ?，角度和相對(duì)方位角如下：
21、
22、式中，為第 j個(gè)水下航行器在地球固定坐標(biāo)系的質(zhì)心坐標(biāo)；
23、在局部通信情況下為了保證水下航行器的連通性和安全性，設(shè)定以下約束條件：
24、?
25、其中，和是由傳感器的限制決定的最大感知距離和角度；是安全距離，是由水下航行器的大小預(yù)先決定的，是為避免發(fā)生碰撞的最小距離；
26、為了保證約束（6），引入期望距離和期望方位角定義隊(duì)形的距離誤差和角度誤差為：
27、?
28、其中，期望距離和期望方位角是設(shè)計(jì)者所期望的參數(shù)，滿足與；
29、將（6）帶入（7）得：
30、
31、在控制設(shè)計(jì)中，對(duì)和規(guī)定性能約束，即要求隊(duì)形跟蹤誤差滿足以下時(shí)變約束：
32、
33、其中，邊界函數(shù)和是距離誤差規(guī)定的上下限，是角度誤差規(guī)定的上下限；
34、且?；具體的邊界函數(shù)表示為：
35、
36、其中，為性能函數(shù)，為最大穩(wěn)態(tài)誤差，為所設(shè)計(jì)的正參數(shù)；；
37、對(duì)式子（7）微分可得：
38、
39、其中，為第j個(gè)水下航行器偏航角，為第個(gè)水下航行器的偏航角與其領(lǐng)航者之間的相對(duì)角度的差值，為第j個(gè)水下航行器的偏航角與其跟隨者之間的相對(duì)角度的差值。根據(jù)（6）可知和取值范圍為；
40、引入tan型障礙李雅普夫函數(shù)和：
41、
42、根據(jù)洛必達(dá)法則，對(duì)式子（12）取極限得：
43、
44、進(jìn)一步的，局部通信下具有l(wèi)os約束的自適應(yīng)積分制導(dǎo)策略,具體為：
45、?
46、其中，?為第個(gè)水下航行器的期望前向速度，為第個(gè)水下航行器的期望偏航速度，為第個(gè)水下航行器的最大前向和橫向速度的合速度的估計(jì)值，為第個(gè)水下航行器的最大前向和橫向速度的合速度的變化率的估計(jì)值。和為設(shè)計(jì)的參數(shù)， ?中間參數(shù)，中間參數(shù)。
47、進(jìn)一步的，有限時(shí)間觀測(cè)器，具體如下：
48、
49、其中，分別為第個(gè)水下航行器的前向和偏航的速度誤差，和分別為對(duì)和的估計(jì)值，和分別為第個(gè)水下航行器的前向和偏航的速度誤差變化率的估計(jì)值，和分別擾動(dòng)參數(shù)和的估計(jì)值，和均為擾動(dòng)，是有限時(shí)間干擾觀測(cè)器對(duì)的估計(jì)值，是有限時(shí)間干擾觀測(cè)器對(duì)的估計(jì)值，為對(duì)的觀測(cè)值，為對(duì)的觀測(cè)值；和均為觀測(cè)誤差，均為所設(shè)計(jì)的正常數(shù)；
50、結(jié)合（13）（14）對(duì)和求導(dǎo)得：
51、
52、
53、其中，;均為觀測(cè)誤差，，是所設(shè)計(jì)的常數(shù)。
54、進(jìn)一步的，s5具體為：
55、采用非奇異全局終端滑模面和進(jìn)行控制力矩和設(shè)計(jì)。
56、
57、其中，且均為正常數(shù)，為正奇數(shù)且；
58、對(duì)式子（18）求導(dǎo)可得：
59、
60、其中，和分別為非奇異全局終端滑模面本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.基于LOS約束的水下航行器編隊(duì)控制方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于LOS約束的水下航行器編隊(duì)控制方法，其特征在于，所述水下航行器編隊(duì)控制數(shù)學(xué)模型為考慮前向、橫向、艏搖三自由度的水平面運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于LOS約束的水下航行器編隊(duì)控制方法，其特征在于，所述S2具體為：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于LOS約束的水下航行器編隊(duì)控制方法，其特征在于，所述局部通信下具有LOS約束的自適應(yīng)積分制導(dǎo)策略,具體為：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于LOS約束的水下航行器編隊(duì)控制方法，其特征在于，所述有限時(shí)間觀測(cè)器，具體如下：
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于LOS約束的水下航行器編隊(duì)控制方法，其特征在于，所述S5具體為：
7.一種基于LOS約束的水下航行器編隊(duì)控制系統(tǒng)，其特征在于，包括處理器、存儲(chǔ)器以及存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器上的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)，具體執(zhí)行如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的基于LOS約束的水下航行器編隊(duì)控制方法中的步驟。
【技術(shù)特征摘要】
1.基于los約束的水下航行器編隊(duì)控制方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于los約束的水下航行器編隊(duì)控制方法，其特征在于，所述水下航行器編隊(duì)控制數(shù)學(xué)模型為考慮前向、橫向、艏搖三自由度的水平面運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于los約束的水下航行器編隊(duì)控制方法，其特征在于，所述s2具體為：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于los約束的水下航行器編隊(duì)控制方法，其特征在于，所述局部通信下具有l(wèi)os約束的自適應(yīng)積分制導(dǎo)...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：黃捷，林嘉威，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：福州大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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