【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及無人水面船路徑跟蹤控制領域，具體涉及一種無人水面船編隊固定時間路徑跟蹤控制方法。
技術介紹
1、無人水面船(unmanned?surface?vehicle，usv)作為一種小型化、智能化、多用途的無人導航海洋載體平臺，可以在惡劣環境下執行各種復雜的海洋任務，有效替代人類操作。近年來，日益復雜和動態的海洋環境，加上單個船舶能力的局限性，推動了usv協同編隊作業的發展，成為無人船海上應用的重要趨勢。usv編隊協同作業能夠執行超出單艘船能力的復雜任務，具有許多優點，如增強適應性、提高容錯性、增強穩定性和提高工作效率。usv編隊路徑跟蹤是usv的關鍵技術之一，可以使usv編隊保持期望的編隊隊形并且跟蹤期望路徑。由于預設性能控制(prescribed?performance?control，ppc)方法可以提高系統的暫態性能，并且可以使系統誤差被限制在預先設定的誤差范圍內，因此受到了人們的廣泛關注。然而usv在實際航行過程中，不可避免地會受到相鄰船舶速度信息不可知、系統未建模動態、未知外界干擾以及執行器輸入飽和的影響。
2、因此，現需要一種在多重約束下usv編隊路徑跟蹤精度較高的無人水面船編隊固定時間路徑跟蹤控制方法。
技術實現思路
1、本專利技術的主要目的在于提供一種無人水面船編隊固定時間路徑跟蹤控制方法，以解決現有技術中多重約束下usv編隊路徑跟蹤精度較低的問題。
2、為實現上述目的，本專利技術提供了一種無人水面船編隊固定時間路徑跟蹤控制方法，具體
3、s1，對usv進行運動學及動力學建模并建立usv的編隊耦合誤差。
4、s2，設計固定時間預設性能函數和位置誤差轉化函數，重構編隊耦合誤差，將編隊耦合誤差限制在規定的范圍內。
5、s3，設計固定時間擴張狀態觀測器，并利用固定時間擴張狀態觀測器同時觀測出usv的不可測速度和系統集總擾動。
6、s4，設計抗飽和固定時間輸出反饋編隊控制器，對usv編隊的路徑進行跟蹤。
7、進一步地，步驟s1具體包括如下步驟：
8、s1.1，考慮由n艘usv構成的編隊，只有部分usv獲得期望路徑信息，構建usv的運動學及動力學模型：
9、
10、式中，ηi為第i艘usv的位置向量，為ηi的導數，μi為第i艘usv的速度向量，為μi的導數，ri為旋轉矩陣，mi為慣性矩陣，τi為控制力和力矩，wi為系統集總擾動。
11、s1.2，基于步驟s1.1，為第i艘usv建立編隊耦合誤差eηi：
12、
13、式中，eηi＝[exi,eyi,eψi]t，exi,eyi,eψi分別為usv沿縱蕩、橫蕩和垂蕩方向的耦合誤差，ni為編隊中usv總艘數，aij為第i艘usv和第j艘usv間連接的權重，如果第i艘usv能接收到第j艘usv的數據信息，則aij＝1，否則aij＝0，bi為虛擬領導者和第i艘usv間連接的權重，如果第i艘usv能接收到虛擬領導者的數據信息，則bi＝1，否則bi＝0，ηijd為編隊中第i艘usv和第j艘usv的期望相對位置，ηr為虛擬領導者的位置向量，ηird為第i艘usv和虛擬領導者的期望相對位置。
14、進一步地，步驟s2具體包括如下步驟：
15、s2.1，設計固定時間預設性能函數
16、
17、式中，ρχi是預設性能函數變量，b1和b2是正的增益系數，常數ρχ∞是人為設定的收斂值，β1(t)是設計的分段函數；
18、
19、式中，t1是定義的收斂值，q為設定的正參數且q>1，t為當前時刻，t0為設定的初始時間；
20、s2.2，設計的位置誤差轉化函數εχi為：
21、
22、式中，zχi＝eχi/ρχi為定義的新的誤差轉化函數的函數自變量，eχi是轉化前的位置誤差，和eχi(t)分別為eχi(t)的上界和下界；
23、s2.3，基于步驟s2.2，對位置誤差轉化函數求導得：
24、
25、式中，為zχi的導數，為εχi的導數；
26、分別計算出εxi，εyi和εψi的導數，分別為和
27、
28、定義εηi＝[εxi,εyi,εψi]t為新的位置耦合誤差向量，其中，εxi,εyi,εψi分別為轉化后的位置耦合誤差向量沿usv縱蕩、橫蕩和垂蕩方向的分量，zxi、zyi和zψi分別為新的誤差轉化函數的函數自變量沿usv縱蕩、橫蕩和垂蕩方向的分量,exi、eyi和eψi分別為轉化前的位置耦合誤差向量沿usv縱蕩、橫蕩和垂蕩方向的分量，ρxi、ρyi和ρψi分別為預設性能函數向量沿usv縱蕩、橫蕩和垂蕩方向的分量。
29、進行編隊耦合誤差的重構：
30、
31、其中，為εηi的導數，為eηi的導數，ai為增益矩陣，bi為偏移矩陣；
32、式(10)中，
33、
34、其中，和exi分別為exi的上界和下界；和eyi分別為eyi的上界和下界，和eψi分別為eψi的上界和下界。
35、進一步地，步驟s3中設計的固定時間擴張狀態觀測器為：
36、
37、式中，是ηi的估計值，是μi的估計值，是wi的估計值，kmi(m＝1,2,3)和κmi是fxeso的正參數，m＝1,2,3，為位置觀測誤差，sig()為符號函數；
38、其中,αm＝mα-m+1,m＝1,2,3,α為設定的一個正參數；βm＝β+(m-1)(α-1),β為設定的一個正參數；
39、公式(11)中：
40、為一個符號冪次向量；其中，xei、yei、ψei分別為第i艘usv在縱蕩、橫蕩以及垂蕩方向上的fxeso的位置估計誤差；
41、為一個符號冪次向量；
42、kmi和κmi是fxeso的正參數，其中m＝1,2,3。
43、進一步地，步驟s4具體包括如下步驟：
44、s4.1，根據步驟s1.2中的編隊耦合誤差，得到：
45、
46、式中，di為第i艘usv的集總權重；
47、s4.2，為第i艘usv設計虛擬控制量μid：
48、
49、式(13)中，λ1和λ2是正參數，-1<α4<1,α5>1。
50、s4.3，定義速度耦合誤差εμi:
51、εμi＝μi-μid?????(14)；
52、式中，εμi＝[εui,εvi,εri]t。εui、εvi、εri分別為usv的縱蕩速度耦合誤差、橫蕩速度耦合誤差和艏搖角速度耦合誤差。
53、s4.4，采用公式(15)估計速度耦合誤差
54、
55、s4.5，定義如公式(16)所示的滑模面si:
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【技術保護點】
1.一種無人水面船編隊固定時間路徑跟蹤控制方法，其特征在于，具體包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種無人水面船編隊固定時間路徑跟蹤控制方法，其特征在于，步驟S1具體包括如下步驟：
3.根據權利要求1所述的一種無人水面船編隊固定時間路徑跟蹤控制方法，其特征在于，步驟S2具體包括如下步驟：
4.根據權利要求1所述的一種無人水面船編隊固定時間路徑跟蹤控制方法，其特征在于，步驟S3中設計的固定時間擴張狀態觀測器為：
5.根據權利要求1所述的一種無人水面船編隊固定時間路徑跟蹤控制方法，其特征在于，步驟S4具體包括如下步驟：
【技術特征摘要】
1.一種無人水面船編隊固定時間路徑跟蹤控制方法，其特征在于，具體包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種無人水面船編隊固定時間路徑跟蹤控制方法，其特征在于，步驟s1具體包括如下步驟：
3.根據權利要求1所述的一種無人水面船編隊固定時間路徑跟蹤控制方法，其特征在...
【專利技術屬性】
技術研發人員：聶君，張新宇，張朝陽，董魯嬌，孫立杰，黃治政，田昊宇，
申請(專利權)人：山東科技大學，
類型：發明
國別省市：
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