状态量化的分布式无人艇队形变换编队控制方法

本发明涉及的是一种无人设备控制领域的技术，具体是一种状态量化的分布式无人艇队形变换编队控制方法。

背景技术：

1、现有无人艇硬件系统大多数基于数字技术，这意味着在算法设计以及硬件采样过程中均以固定周期进行数据传输，这些数据往往都是离散的变化量而非连续信息，而量化可以将连续的状态量进行离散化处理，同时可以在设计过程中对于量化误差进行建模和分析，以减低量化误差对于系统稳定性和安全性的影响。当无人艇编队规模以及数量较大时，若通过组网电台进行tcp/udp网络通信，带宽有限的网络无法同时接收和传输大量的数据，往往会发生网络堵塞或信息丢包等问题。此外，无人艇数学模型涉及复杂的非线性特性，水动力参数以及无人艇状态信息的强耦合特性将会使得无人艇控制器设计过程十分复杂，同时无人艇在航行过程中无疑会遭受到风、浪和流等未知的干扰，因此在控制器设计过程中需要对上述问题进行预测和补偿。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种状态量化的分布式无人艇队形变换编队控制方法，通过引入改进的通信拓扑模式，考虑到成员间的应力约束，只需定位无人艇编队中领导者的位置即可获取跟随者的仿射定位的位置。同时考虑到通讯成本以及通讯带宽等问题，将无人艇的状态信息进行量化处理，连续时变的状态信息转换为离散的集合，同时减少了数字系统的储存和处理所占用的内存，降低硬件系统的功耗。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明涉及一种状态量化的分布式无人艇队形变换编队控制方法，通过建立无人艇数学模型，定义均匀量化器模型和仿射编队期望轨迹，构造无人艇速度观测器并构造无人艇控制器并经仿真验证后，将仿真结果部署于无人艇队控制系统。

4、本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：期望编队定义单元、控制器设计单元和量化通信管理单元，其中：期望编队定义单元根据不同的任务种类以及任务特点，定义不同的期望队形以及位置变化，将各成员的期望位置部署在各自的处理器中；控制器设计单元根据a的信息，计算得到自身状态的误差并计算相关的控制力和力矩；量化通信管理单元将各成员的自身状态通过该模块进行判断是否更新并决定何时传输信息。

5、技术效果

6、本发明针对无人艇编队控制，考虑了在形变换过程中的间歇通信的控制，运用状态量化技术有效地降低了网络通信频率，显著降低网络通信中不必要的数据传输，能够快速且灵活地更换队形。

技术特征：

1.一种状态量化的分布式无人艇队形变换编队控制方法，其特征在于，通过建立无人艇数学模型，定义均匀量化器模型和仿射编队期望轨迹，构造无人艇速度观测器并构造无人艇控制器并经仿真验证后，将仿真结果部署于无人艇队控制系统。

2.根据权利要求1所述的状态量化的分布式无人艇队形变换编队控制方法，其特征是，所述的无人艇数学模型，即考虑水面无人艇的纵荡、横荡以及艏摇三自由运动度，构造的无人艇运动学和动力学模型，具体为：其中：ηi＝[pi,ψi]t为第i艘无人艇在固定坐标系下的绝对位置和艏向角度，r(ψi)为固定坐标系和随体坐标系的转换矩阵，正定矩阵mi为惯性质量矩阵，ci为科氏力矩阵，di为阻尼力矩阵，τi为各无人艇的控制输入，di为无人艇所遭受到的未知的外界干扰。

3.根据权利要求1或2所述的状态量化的分布式无人艇队形变换编队控制方法，其特征是，所述的无人艇数学模型变化为：其中：为包含了惯性矩阵与旋转矩阵的控制输入，叉乘矩阵考虑无人艇编队系统的参考信号由虚拟艇η0给出，由动力学产生虚拟艇的轨迹其中：η0＝[x0,y0,ψ0]t为在大地坐标系下的虚拟领导者的位置向量，v0＝[u0,v0,r0]t为在自身坐标系下的速度向量，r(ψ0)是对应的旋转矩阵。

4.根据权利要求1所述的状态量化的分布式无人艇队形变换编队控制方法，其特征是，所述的均匀量化器模型具体为：qu:→，对于给定的量化步长βu，均匀量化器满足：|qu(a)-a|≤βu,其中：qu表示经过量化后的控制指令，a表示未经量化的指令信息。

5.根据权利要求1所述的状态量化的分布式无人艇队形变换编队控制方法，其特征是，所述的仿射编队期望轨迹，通过以下方式构造得到：

6.根据权利要求1所述的状态量化的分布式无人艇队形变换编队控制方法，其特征是，所述的无人艇速度观测器，通过以下方式构造得到：

7.根据权利要求1所述的状态量化的分布式无人艇队形变换编队控制方法，其特征是，所述的无人艇控制器，通过以下方式构造得到：

8.根据权利要求7所述的状态量化的分布式无人艇队形变换编队控制方法，其特征是，所述的部署是指：通过对构造得到的无人艇控制器进行仿真计算，即定义期望队形后生成对应的期望位置信息，再将期望位置信息嵌于无人艇的处理器中，实现无人艇编队的队形变换。

9.一种实现权利要求1-8中任一所述方法的状态量化的分布式无人艇队形变换编队控制系统，其特征在于，包括：期望编队定义单元、控制器设计单元和量化通信管理单元，其中：期望编队定义单元根据不同的任务种类以及任务特点，定义不同的期望队形以及位置变化，将各成员的期望位置部署在各自的处理器中；控制器设计单元根据a的信息，计算得到自身状态的误差并计算相关的控制力和力矩；量化通信管理单元将各成员的自身状态通过该模块进行判断是否更新并决定何时传输信息。

技术总结一种状态量化的分布式无人艇队形变换编队控制方法，通过建立无人艇数学模型，定义均匀量化器模型和仿射编队期望轨迹，构造无人艇速度观测器并构造无人艇控制器并经仿真验证后，将仿真结果部署于无人艇队控制系统。本发明通过引入改进的通信拓扑模式，考虑到成员间的应力约束，只需定位无人艇编队中领导者的位置即可获取跟随者的仿射定位的位置。同时考虑到通讯成本以及通讯带宽等问题，将无人艇的状态信息进行量化处理，连续时变的状态信息转换为离散的集合，同时减少了数字系统的储存和处理所占用的内存，降低硬件系统的功耗。技术研发人员：张恩华,王健,梁晓锋,高睿,易宏受保护的技术使用者：上海交通大学技术研发日：技术公布日：2024/11/14