基于RBF积分滑模的无人艇集群协同路径跟踪控制

发布时间：2021-06-30 08:11

　　为满足船舶护航、目标围捕等任务要求,文中提出了一种基于路径参数循环的欠驱动无人艇集群协同路径跟踪控制方法。在运动学设计方面,结合视线制导与一致性算法,设计无人艇集群协同制导律,得到闭曲线上对称的编队队形,实现对目标点进行围捕。在动力学设计方面,考虑动力学模型不确定性及传统滑模导致的抖振问题,利用神经网络逼近特性和饱和函数,设计基于自适应径向基函数神经网络的分布式积分滑模控制器,保证无人艇能够精确跟踪制导信号,从而提高系统抗干扰性和路径跟踪精度。Lyapunov稳定性分析证明了闭环系统误差是全局渐近稳定的。仿真结果表明了所提出集群协同控制方法的有效性。 

【文章来源】：水下无人系统学报. 2020,28(06)北大核心

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

协同目标包围控制示意图Fig.1Diagramofcollaborativetargetenclosingcontrol

?,1,2,ijaij…N的邻接矩阵。邻接矩阵定义如下[12]0,1NNijijEaR其他A(14)为使各USV能均匀对称地分布在封闭圆曲线上并保持固定队形,设计了更新律i。各USV之间形成环形的通信关系(以3艘USV组成的拓扑结构为例,见图2),根据每艘USV在给定闭曲线上的位置,以径向顺时针方向定义相邻USV间的通信拓扑,每艘USV都能接收其前一艘和后一艘USV的路径参数信息。定义无人艇通信拉普拉斯矩阵LDA,根据图2通信拓扑可知011101110A,200020002D(15)则211121112L(16)图2通信拓扑图Fig.2Diagramofcommunicationtopology每艘动态的USV都满足动力学特性iixtut(17)式中:ixt表示第i艘USV的状态;iut表示控制输入。当且仅当每艘USV都满足协议lim0ijtxtxt(18)则称控制协议iut能够解决渐进一致问题[13]。为使路径参数均匀分布,设计基于相邻USV信息的路径参数更新律[14],定义参数协同误差为if02πif0iiiiiiiiiSSSSeSSSS≥(19)设计更新律为iiiiiidieeevx(20)式中,i为正数。定义T1,,Neee和T1,,N,得到关于误差iex,iey,ie和e的动态方程为12ieiieixirieidiieiieiyiirieieiieiieiiexkxyvyUyxkyeLμ(21)建立如下Lyapunov函数22221111112222NieieieiiVxy

线,可以看到各无人艇速度在所设计的制导律作用下趋于同步。图6给出了纵向跟踪误差iex及横向跟踪误差曲线iey,可以看到误差能够在较短的时间内收敛到零附近并保持稳定,证明了所设计控制方法能够使无人艇精确地跟踪给定期望路径。图7给出了纵向推力ui和转艏力矩ri曲线,在满足执行机构的要求下,经过短暂调整,能够达到稳定状态。图8给出了采用RBF神经网络对外界干扰以及模型不确定项的逼近情况,可以明显看出采用RBF神经网络能有效对非线性项urf和f进行估计。图3协同目标包围仿真图Fig.3Simulationofcooperativetar-getenclosingperformance图4无人艇路径参数曲线Fig.4PathparameterscurvesofUSVs图5纵向速度与转艏角速度曲线Fig.5Curvesoflongitudinalvelocityandyawangularvelocity图6跟踪误差曲线Fig.6Curvesoftrackingerrors图7纵向推力与转艏力矩响应曲线Fig.7Curvesofsurgeforceandyawtorque图8未知非线性项估计Fig.8Estimationsofunknownnon-linearfunction4结束语文中研究了一种在外界干扰和模型不确定情况下的无人艇集群协同目标包围控制方法。与现有研究方法相比,文中方法具有以下优点:1)将LOS制导与一致性算法相结合提出了协同LOS制导律,实现多USV集群协同路径跟踪;2)文中针对目标围捕等实际应用采用一种路径参数循环跟踪的方法实现闭曲线上对称的编队队形;3)文中设计的分布式积分滑模控制器能有效减弱系统抖振,提高系统的抗干扰性和路径跟踪精度。Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的稳定性,仿真试验验证了协同控制器的有效性。未来将就各无

【参考文献】：
期刊论文
[1]领航跟随法和势函数组合的船舶编队控制[J]. 李芸,肖英杰.  控制理论与应用. 2016(09)
[2]欠驱动水下航行器编队协同控制[J]. 肖瑞武,孙洪飞.  集美大学学报(自然科学版). 2015(06)



本文编号：3257384