一种基于动态事件触发的无人船编队控制方法与流程

本发明属于无人船编队控制，更具体地，涉及一种无人船基于动态事件触发的一种编队控制方法，适用于多无人船海上编队。

背景技术：

1、在无人船编队控制中，通信网络中的信息交互是重中之重。由于系统中的无人船是散开分布的，因此严重依赖网络通信将所有智能体连接起来。若采用传统的集中式控制策略，由中心节点收集系统中所有的信息并进行处理，然后将控制命令传输给其余子节点，这将会浪费通信资源，降低通信效率并且降低系统的鲁棒性。相比较而言，分布式控制策略拥有更加高效与节约资源的优势，无人船仅需要与邻居进行通信交互，摒弃了中心节点的概念，大幅降低了通信网络的复杂度，提高了通信效率。此外，在传统的控制策略中，都假设无人船之间可以进行连续不断的通信，这对通信资源有着很高的要求。在实际应用中，由于通信带宽与计算能力的限制，这种连续通信是不合理的，因此采用间歇式通信策略，周期性采样便是一种常用的间歇式通信策略。在这种采样策略下，为了确保系统可以按照正常状态运行，采样周期必须以最差情况进行设计，这便导致了控制目标已经完成，而系统仍然不断地进行信息采样与传输的现象，造成了大量通信与计算资源的浪费。为了克服上述缺点，事件触发策略被提了出来，即通过所设计的触发函数来判断是否需要进行信息交互，减少了不必要的信息传输，降低了通信成本并且更好地满足现实需求。

2、与传统的连续通信系统不同，事件驱动控制策略在每一个无人船的通信单元之前加入了一个触发开关，此开关受触发决策器的控制。决策器会收集无人船自身的状态、邻居的广播等事件触发条件所需要的信息，然后进行处理。若满足了触发条件，表示智能体完成了一次事件触发，此时触发开关将会进行信息采样，无人船会将自身状态广播给邻居，并且对控制器进行更新。在此控制策略下，智能体在大部分时间无需通信，有效减少了系统的通信频率，节约了通信资源。

3、动态事件驱动的控制原理依然如图1所示。图1中智能体表示无人船，感知单元表示用于获取自身状态信息的传感器等，通信单元表示用于通信的通信设备，触发决策器指根据信息判断是否触发的触发函数，通信网络由具有通信拓扑的多无人船系统组成。在触发函数中包含了一个辅助动态内部变量，可以使触发阈值随系统运行进行动态调整，有效延长了事件触发间隔。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出一种无人船在受到外部扰动情况下基于动态事件触发的一种编队控制方法，适用于多无人船海上编队，减少非必要的通信资源消耗，降低通信成本，提高资源利用率。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于动态事件触发的无人船编队控制方法，应用于由n个相同系统特性无人船构成的一般线性的多无人船系统，所述方法包括：

3、根据无人船数据建立无人船动力学模型，针对外部扰动设计了滑动模态观测器；

4、根据滑动模态变结构控制的指数收敛率，利用事件触发状态变量误差设计基于无人船动力学模型的动态事件触发一致性控制器；

5、根据约束条件对控制器参数进行取值，以实现多无人船系统的编队一致性。

6、在一些可选的实施方案中，由yi(t)＝cxi(t)得到各个无人船的动力学模型，下标i表示第i个无人船，i＝1，2，…，m，xi(t)表示无人船的状态向量，ui(t)表示无人船的控制输入，di(t)表示无人船受到的匹配干扰，并且存在已知的函数ρi(t)，使其对于任意的t>0，都有‖di(t)‖≤ρi(t)，yi(t)表示无人船的状态输出向量，a、b、c均为常数矩阵，a的阶数为n。

7、在一些可选的实施方案中，由设计滑动模态观测器，其中，表示观测状态，f表示反馈矩阵，vi(t)是用于估计外部干扰的补偿项，并且满足：vi(t)＝(ρi(t)+ε1i)sgnpkssxi(t))，ε1i是待定参数，ks是矩阵系数，对于第i个无人船，滑动模态状态量设计为其中，ωi(t)为辅助状态量并且满足表示无人船i第k次触发时刻，λ为待定参数，aij是系统邻接矩阵的第(i,j)个元素。

8、在一些可选的实施方案中，基于滑模变结构控制中的指数收敛，设计控制器为：其中，μ>0为参数，k表示系统邻接矩阵，ρi(t)表示系统收到外部扰动的上界，c和ε2i是大于零的待定参数。

9、在一些可选的实施方案中，所述根据约束条件对控制器参数进行取值，以实现多无人船系统的编队一致性，包括：

10、无人船i需要与相邻无人船进行通信，并计算自己在触发时刻的输入，定义ei(t)为控制器的测量误差，zi(t)为辅助状态变量，在触发时刻表达式为：

11、为了确定下一次触发时间，设计内部动态参数ηi，格式为：其中，ξi∈[0,1]，βi>0，πi和δi为待设计参数；

12、假设初始触发时刻随后的触发序列为：其中，参数设计为δi>f1,0<πi<-f2，其中，其中c、λ、mi均为正数，l为系统图的laplacian矩阵，l+是l的伪逆矩阵，满足l＝ll+l，p1为待解矩阵，r是可能触发时刻；

13、选择q1<0，求解笛卡尔方程q1＝p1a+atp1-μp1bbtp1得到p1>0的解，设k＝btp1，选择p2>0且f＝p2ct，使a-fc为hurwitz矩阵，求解q2＝p2a+atp2-2p2cctp2得到q2<0的解，并让q1、q2、p2、f为待确定矩阵，μ是大于零的参数；

14、若选取参数满足：则多无人船系统可以实现一致性，λmax(q1)表示矩阵q1最大的特征值。

15、在一些可选的实施方案中，所述方法还包括：设计自触发控制机制，每个无人船在当前触发时刻预测下一次触发时刻，并传递信息给邻居无人船，根据测量误差的定义得到||ω(t)||≤f(t)成立，其中，因此λ2(l)表示矩阵l的第二小特征值，ηi(0)表示第0时刻ηi的值，v(0)为v(t)在第0时刻的值，in表示n阶单位矩阵，n表示相同系统特性无人船的个数，in表示n阶单位矩阵，

16、在无人船i知道当前触发时间的前提下，下一次触发时间通过求解得到：

17、若选取参数满足：则多无人船系统可以实现一致性。

18、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

19、本发明提出了一种在受到外部扰动情况下基于动态事件触发的多无人船编队控制算法，通过引入一个动态的事件触发变量，利用事件触发状态变量误差设计基于无人船动力学模型的动态事件触发控制器，从而实现多无人船编队。无人船仅当事件触发测量误差超过设计的阈值时才会进行通信，实现多无人船之间的间歇通信。

技术特征：

1.一种基于动态事件触发的无人船编队控制方法，应用于由n个相同系统特性无人船构成的一般线性的多无人船系统，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由得到各个无人船的动力学模型，下标i表示第i个无人船，i＝1，2，…，n，xi(t)表示无人船的状态向量，ui(t)表示无人船的控制输入，di(t)表示无人船受到的匹配干扰，yi(t)表示无人船的状态输出向量，a、b、c均为常数矩阵，其中，a的阶数为n。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，由设计滑动模态观测器，其中，表示观测状态，f表示反馈矩阵，vi(t)是用于估计外部干扰的补偿项，并且满足：vi(t)＝(ρi(t)+ε1i)sgnpkssxi(t)}，ε1i是待定参数，ks是矩阵系数，对于第i个无人船，滑动模态状态量设计为其中，ωi(t)为辅助状态量并且满足表示无人船i第k次触发时刻，λ为待定参数，aij是系统邻接矩阵的第(i,j)个元素。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，基于滑模变结构控制中的指数收敛，设计控制器为：其中，μ>0为参数，k表示系统邻接矩阵，ρi(t)表示系统收到外部扰动的上界，c和ε2i是大于零的待定参数。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据约束条件对控制器参数进行取值，以实现多无人船系统的编队一致性，包括：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：设计自触发控制机制，每个无人船在当前触发时刻预测下一次触发时刻，并传递信息给邻居无人船，根据测量误差的定义得到||ω(t)||≤f(t)成立，其中，因此λ2(l)表示矩阵l的第二小特征值，ηi(0)表示第0时刻ηi的值，v(0)为v(t)在第0时刻的值，in表示n阶单位矩阵，n表示相同系统特性无人船的个数，in表示n阶单位矩阵，

技术总结本发明公开了一种基于动态事件触发的无人船编队控制方法，属于无人船编队控制技术领域，包括：根据无人船数据建立无人船动力学模型，针对外部扰动设计了滑动模态观测器；根据滑动模态变结构控制的指数收敛率，利用事件触发状态变量误差设计基于无人船动力学模型的动态事件触发一致性控制器；根据约束条件对控制器参数进行取值，以实现多无人船系统的编队一致性。通过本发明可以减少非必要的通信资源消耗，降低通信成本，提高资源利用率。技术研发人员：曹洲铭,胡洋,刘帆,郭政业,李欣受保护的技术使用者：中国舰船研究设计中心技术研发日：技术公布日：2024/8/16