一种无人艇集群最优聚集控制器及其设计方法与流程

技术特征：

1.一种无人艇集群最优聚集控制器，其特征在于：包括通讯网络和多个控制器单元，所述的多个控制器单元分别与通讯网络连接；

所述的控制器单元包括分布式协同优化模块、控制模块、观测器模块和无人艇，所述的分布式协同优化模块的输入端与通讯网络相连；分布式协同优化模块的输出端与控制模块的输入端相连；控制模块的输入端分别与无人艇的输出端和观测器模块的输出端相连；控制模块的输出端与无人艇的输入端相连；观测器模块的输入端分别与无人艇的输出端和控制模块的输出端相连；无人艇的输出端与分布式协同优化模块的输入端相连。

2.一种无人艇集群最优聚集控制器的设计方法，其特征在于：所述的无人艇的动力学模型用下式表示：

其中，vi代表无人艇的速度，矩阵Mi为正定惯性矩阵，矩阵Ci为科氏力向心矩阵，矩阵Di为阻尼矩阵，τi表示为施加到无人艇上的控制力矩矢量，矩阵是斜对称的，下标i代表编号为i的无人艇；

ηi表示在地球坐标系下无人艇的位置；ψi代表无人艇的航向；R(ψi)表示为地球坐标系到船体坐标系的旋转矩阵，并写为：

所述的通讯网络的结构如下：

设通讯网络由N个节点组成，通讯网络结构用图ζ描述：

ζ＝{υ,ε}

其中：

υ＝{n1,...,nN}

ε＝{(ni,nj)∈υ×υ}

式中：υ代表N个无人艇的节点集合；ε表示第i个节点和第j个节点之间存在信息传递；通讯关系用图ζ的邻接矩阵A表示：

其中，如果aij＝1表示第j个节点的信息传递给第i个节点，即第j个节点是第i个节点的邻居节点，其他情况aij＝0；

所述的设计方法，包括以下步骤：

A、分布式协同优化模块的设计

分布式协同优化模块的输入信号为通讯网络中无人艇获知的邻居无人艇在地球坐标系下的位置信号xj、在地球坐标系下的速度信号yj以及无人艇输出的在地球坐标系下的实际位置信号ηi；分布式协同优化模块的输出为无人艇在地球坐标系下所期望的位置信号xi和在地球坐标系下的速度信号yi；分布式协同优化模块分为优化部分和分布式协同部分，分布式协同优化模块的优化部分设计为：

其中，Rj是指定的一块区域位置信号，在这里，定义一个矩阵B＝[bij]，如果第i艘无人艇获得指定的一块区域Rj的位置信息，那么bij＝1，否则，bij＝0；式(2)称为全局代价函数，它为无人艇和某块区域的距离平方加权和最小化；

分布式协同优化模块的分布式协同部分设计为：

其中，K＞0，K为地球坐标系下的导数阻尼参数；vi表示第i艘无人艇的加速度；表示对二次函数fi(ηi)求梯度导数；为无人艇在地球坐标系下所期望的位置信号xi的导数，为无人艇在地球坐标系下所期望的速度信号yi的导数，表示第i艘无人艇的加速度vi的导数；

B、控制模块的设计

控制模块的输入信号为分布式协同优化模块的输出，即是无人艇在地球坐标系下所期望的位置信号xi和在地球坐标系下的速度信号yi，同时，无人艇的输出也是控制模块的输入，即无人艇在地球坐标系下位置信号ηi和在船体坐标系下的速度信号vi，并且观测器模块的输出信号也是控制模块的输入，则所述的控制模块的输出τi表示为：

其中，αi是虚拟控制律，τi是控制驱动力，R(ψi)^T是旋转矩阵R(ψi)的转置，是未知非线性动态的逼近，k1和k2是两个调节参数；

C、观测器模块的设计

观测器模块的输入分别是控制模块的输出τi和无人船输出的在地球坐标系下的位置信号ηi和在船体坐标系下的速度信号vi；所述的观测器模块输出为其设计为：

其中，是无人船在船体坐标系下的速度信号vi的估计，矩阵M^-1为M正定惯性矩阵的逆矩阵；是无人船在船体坐标系下的速度信号估计的导数，是未知非线性动态逼近的导数。