一种针对执行器故障的多无人艇编队控制方法和装置与流程

本发明涉及自动控制，特别是涉及一种针对执行器故障的多无人艇编队控制方法和装置。

背景技术：

1、无人艇在各领域的应用十分广泛，民事上可在海域上搜集所需的水文资料并完成海洋环境的调查任务等。然而单个无人艇因其携带的传感器种类和数量的限制导致其作业能力受限，通过多无人艇协同作业可以显著提高无人艇在海洋勘探、集群作业以及海洋搜救等多个方面的容错性、鲁棒性以及执行效率等系统性能。

2、但在实际工作中，无人艇编队系统自身的复杂性与未知海域环境干扰都会导致编队系统发生故障，在无人艇的执行器发生故障后无法消除执行器不同程度的故障带来的影响，严重威胁多无人艇系统的安全性。

3、鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是如何处理无人艇执行器的不同程度的故障所带来的影响。

2、本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，提供了一种针对执行器故障的多无人艇编队控制方法，包括：

4、构建无人艇的运动学模型和动力学模型；

5、基于所述无人艇的运动学模型和动力学模型构建避碰制导律；

6、构建状态观测器；

7、构建辅助动态系统；

8、根据所述避碰制导律、所述状态观测器以及所述辅助动态系统构建有限时间控制律，通过所述有限时间控制律以对无人艇编队进行控制。

9、优选的，所述构建无人艇的运动学模型和动力学模型包括：

10、无人艇的运动学模型表示为：

11、

12、无人艇的动力学模型表示为：

13、

14、其中，和分别为无人艇在惯性坐标系下的位置导数，为无人艇在惯性坐标系下的航向导数，ui、vi和ri分别为无人艇在附体坐标系下的前向速度、横向速度和角速度，τd,vi和τd,ui为系统受到的外部干扰，m11、m22和m33为惯性矩阵m中的元素，d11、d22和d33为阻尼矩阵d中的元素。

15、优选的，无人艇的执行器在故障时转矩的表达式为：

16、

17、其中，τ＝[τu,τr]t是实际控制输入，τc＝[τu,c,τr,c]t是期望控制输入，l＝[lu(t),lr(t)]t表示执行器有效性函数，并且满足0<li(t)<1(i＝u,r)，表示无人艇的加性故障，p＝[pu,pr]t表示故障的时间分布曲线；pi(t-ti,c)(i＝u,r)表示为：

18、

19、其中，ai表示未知故障的演化率，ti,c(i＝u,r)表示执行器故障的发生时间，故障的时间分布曲线仅表示故障的变化速度，其他特征通过表示；

20、考虑执行器部分失效故障和速度信息不可测对系统的影响，重构无人艇的动力学模型为：

21、

22、其中，γi＝[γi1,γi2,γi3]t为系统的集总扰动。

23、优选的，所述基于所述无人艇的运动学模型和动力学模型构建避碰制导律包括：

24、定义无人艇编队的位置跟踪误差；

25、根据所述位置跟踪误差得到无人艇编队的位置跟踪误差的动态方程，并构建避碰制导律以稳定所述无人艇编队的位置跟踪误差的动态方程。

26、优选的，所述定义无人艇编队的位置跟踪误差包括：

27、定义无人艇编队的位置跟踪误差为：

28、

29、其中，pi＝[xi,yi]t，zi1表示第i艘无人艇和它的邻居无人艇的误差以及第i艘无人艇与领导艇之间的误差之和，r(ψi)附体坐标系转换为惯性坐标系的旋转矩阵，r(ψi)t是对矩阵进行一次转置，是无人艇i在领导层无人艇中的邻居集合，aij表示第i艘无人艇和第j艘无人艇之间的通信关系，aik表示第i艘无人艇和第k艘无人艇之间的通信关系，是无人艇i在跟随层无人艇中的邻居集合，△pij是第i艘无人艇和第j艘无人艇之间的保持的距离，△pik是第i艘无人艇和第k艘无人艇之间的保持的距离，pj是第j艘无人艇的位置坐标，pk是第k艘无人艇的位置坐标；

30、定义无人艇编队的位置跟踪误差为：

31、

32、其中，其中δ0∈r+为辅助变量，r2表示实数的2维向量；

33、结合人工势能函数，重新定义位置跟踪误差，以保证多无人艇集群在避免相互碰撞的前提下，规避执行器发生故障的无人艇，其中：

34、人工势能函数为：

35、

36、重新定义的无人艇编队的位置跟踪误差为：

37、

38、其中，dij表示第i艘无人艇和第j艘无人艇之间的距离；αia∈r+满足0<αia<1；dia∈r+满足dia<ra；ra表示避碰检测区间，即当dij<ra时，避碰机制生效，ni为节点i的邻居节点集合，no为故障艇的节点集合，的计算公式与相同，只是将位置信息替换成故障艇的位置信息进行计算。

39、优选的，所述根据所述位置跟踪误差得到无人艇编队的位置跟踪误差的动态方程，并构建避碰制导律以稳定所述无人艇编队的位置跟踪误差的动态方程包括：

40、所述无人艇编队的位置跟踪误差的动态方程为：

41、

42、其中，gi＝diag{di,δ0}∈r2×2；引入辅助变量δ0后，利用设计ui和ri来保证zi2的稳定；

43、所述避碰制导律表示为：

44、

45、其中，为对角制导增益矩阵。

46、优选的，所述构建状态观测器包括：

47、所述状态观测器表示为：

48、

49、其中，2/3<αl1<1，αl2＝2αl1-1，αl3＝3αl1-2，kli>0和λli>0(i＝1,2,3)是待设计参数，为对无人艇速度信息的估计，为观测器对集总扰动的估计，为集总扰动估计值的导数。

50、优选的，所述构建辅助动态系统包括：

51、所述辅助动态系统表示为：

52、

53、其中，δτui,c0＝τui,c-τui,c0，δτri,c0＝τri,c-τri,c0；θp，au，ιu，ar，ιr均为正常数且θp接近于0；ε1，κ1均为正奇数且满足0<κ1/ε1<1，θij辅助动态系统的输出量，cj辅助动态系统的增益，j＝u时，为速度误差，j＝r时，为角速度误差，τui,c和τui,c0分别是限幅后速度控制器的输出量和限幅前速度控制器的计算量，τri,c和τri,c0分别是限幅后转艏控制器的输出量和限幅前转艏控制器的计算量。

54、优选的，所述根据所述避碰制导律、所述状态观测器以及所述辅助动态系统构建有限时间控制律包括：

55、定义速度跟踪误差为：

56、

57、其中，表示的估计值；

58、所述有限时间控制律表示为：

59、

60、其中，为对角增益矩阵；

61、第二方面，提供了一种针对执行器故障的多无人艇编队控制装置，所述针对执行器故障的多无人艇编队控制装置包括：处理器和用于存储处理器可执行指令的存储器；

62、其中，所述处理器被配置为所述的针对执行器故障的多无人艇编队控制方法。

63、第三方面，提供了一种非易失性计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个处理器执行，用于完成第一方面所述的针对执行器故障的多无人艇编队控制方法。

64、第四方面，提供了一种芯片，包括：处理器和接口，用于从存储器中调用并运行存储器中存储的计算机程序，执行如第一方面所述的针对执行器故障的多无人艇编队控制方法。

65、第五方面，提供了一种包含指令的计算机程序产品，当该指令在计算机或处理器上运行时，使得计算机或处理器执行如第一方面至第四方面及其任一项所述的针对执行器故障的多无人艇编队控制方法。

66、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

67、本发明通过构建避碰制导律来针对欠驱动无人艇执行器完全失效的情况，实现了编队队形的同时，也避免了无人艇之间以及与故障艇发生碰撞；通过构建状态观测器针对欠驱动无人艇执行器部分失效的情况，处理了执行器部分失效故障以及速度信息不可测对无人艇自身控制系统的影响；同时，本发明为了避免执行器饱和带来的物理限制，通过构建辅助动态系统提高了多无人艇系统的抗饱和性以及收敛速度。