一种基于自适用事件触发的多无人船航向一致性控制方法

本发明属于多智能体协同控制领域，具体涉及一种基于自适用事件触发的多无人船航向一致性控制方法。

背景技术：

1、近年来，无人船因其自动化程度高、机动性强、抗干扰能力强等优势被广泛应用于反潜、交通运输、海洋垃圾清理、水质检测等军事和民用领域，有效避免了人为因素和恶劣天气原因的影响，大大提高了工作效率，因而具有广泛的应用前景。

2、航向一致性控制是无人船编队控制面临的关键问题之一。其关键点在于开发分布式方法使多智能体系统中的智能体能够实现一致。多智能体系统因其在微电网控制和运行、运输系统、无人机协调、车间调度等多个领域的应用而受到了广泛的关注。一致性问题是多智能体系统分布式控制与决策问题中最基本的研究问题之一，早期一致性控制方法的研究成果主要集中在离散时间算法，苏厚胜等在《离散时间下多智能体系统的一致性控制算法设计方法》中提出了一种离散时间下的一致性控制方法，避免了分布式一致性控制算法对智能体动力学模型以及全局拓扑信息的依赖。相比之下，连续时间方法应用更加符合实际情况，song y,chen w在control theory&applications上发表的文献《finite-timeconvergent distributed consensus optimisation overnetworks》中提出了一种分布零梯度和一致性算法，所有智能体的状态可以在有限时间内收敛到一致。然而，上述方法要求多智能体系统中的智能体连续或定期与相邻智能体交换相关信息，这在实际的无人船系统中是很难实现的，无人船的航向调整频繁，需要频繁进行计算，这会占用大量计算资源以及无人船能源。

3、事件触发机制可有效地解决这一问题，事件触发机制应用于一致性问题中，有效地降低了智能体之间的通信频率，但不能很好排除zeno行为。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于自适用事件触发的多无人船航向一致性控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种基于自适用事件触发的多无人船航向一致性控制方法，包括如下步骤：

4、根据多无人船系统中每条无人船的航向、通信、状态信息，对无人船的信息连接关系进行表示，建立无人船系统的通信拓扑图，从而得到邻接矩阵和拉普拉斯矩阵，搭建每条无人船的数学模型；

5、根据无人船航向角的理想值与实际值设计无人船的航向偏差变量，利用通信拓扑图的邻接矩阵进一步建立基于事件触发机制的多无人船航向一致性控制模型；

6、给每一个无人船定义一个受限制的虚拟变量βi(t)，建立自适用事件触发机制，根据设计的分布式自适用事件触发条件，计算得到每个智能体的触发时间间隔的表达式；

7、将设计的多无人船航向一致性控制模型和分布式自适用事件触发条件代入到多无人船的模型中，从而完成多无人船系统一致性控制，间接实现了多无人船系统编队控制任务。

8、优选地，所述无人船系统的通信拓扑图为一个无向连通图g＝(v,e)，其中v＝{v1,...,vn}表示顶点集，n为无人船的个数，e∈{v×v}为边的集合，a＝[aij]∈rn×n为图g的加权邻接矩阵，如果无人船i和无人船j可以通信，则权重aij＝1，否则aij＝0，令d＝diag{d1,d2,...,dn}表示入度矩阵，其中定义l＝[lij]n×n为图g的拉普拉斯矩阵，满足l＝d-a。

9、优选地，所述无人船的数学模型表达式如下：

10、

11、优选地，所述航向偏差变量的表达式如下：

12、

13、优选地，所述多无人船航向一致性控制模型如下：

14、

15、优选地，所述虚拟变量βi(t)如下：

16、

17、优选地，所述事件触发条件如下：

18、

19、优选地，所述每个智能体的触发时间间隔的表达式如下：

20、

21、本发明的有益效果：

22、1、本发明方法通过设计分布式自适用事件触发算法，大大降低了无人船之间的通信频率，且无人船的航向可以在不使用任何全局信息的情况下达到一致，而且每个无人船采用分布式异步事件触发机制，不需要时钟同步，所提出的事件触发机制可有效排除zeno现象，且每个无人船最小事件触发间隔时间可设计。

技术特征：

1.一种基于自适用事件触发的多无人船航向一致性控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于自适用事件触发的多无人船航向一致性控制方法，其特征在于，所述无人船系统的通信拓扑图为一个无向连通图g＝(v,e)，其中v＝{v1,...,vn}表示顶点集，n为无人船的个数，e∈{v×v}为边的集合，a＝[aij]∈rn×n为图g的加权邻接矩阵，如果无人船i和无人船j可以通信，则权重aij＝1，否则aij＝0，令d＝diag{d1,d2,...,dn}表示入度矩阵，其中定义l＝[lij]n×n为图g的拉普拉斯矩阵，满足l＝d-a。

3.根据权利要求2所述的一种基于自适用事件触发的多无人船航向一致性控制方法，其特征在于，所述无人船的数学模型表达式如下：

4.根据权利要求1所述的一种基于自适用事件触发的多无人船航向一致性控制方法，其特征在于，所述航向偏差变量的表达式如下：

5.根据权利要求4所述的一种基于自适用事件触发的多无人船航向一致性控制方法，其特征在于，所述多无人船航向一致性控制模型如下：

6.根据权利要求1所述的一种基于自适用事件触发的多无人船航向一致性控制方法，其特征在于，所述虚拟变量βi(t)如下：

7.根据权利要求6所述的一种基于自适用事件触发的多无人船航向一致性控制方法，其特征在于，所述事件触发条件如下：

8.根据权利要求7所述的一种基于自适用事件触发的多无人船航向一致性控制方法，其特征在于，所述每个智能体的触发时间间隔的表达式如下：

9.一种基于自适用事件触发的多无人船航向一致性控制系统，其特征在于，包括：

10.一种基于自适用事件触发的多无人船航向一致性控制器，储存有运行权利要求9所述的基于自适用事件触发的多无人船航向一致性控制系统程序。

技术总结
本发明公开了多智能体协同控制领域的一种基于自适用事件触发的多无人船航向一致性控制方法，包括如下步骤：建立无人船系统的通信拓扑图，搭建每条无人船的数学模型；利用通信拓扑图的邻接矩阵进一步建立基于事件触发机制的多无人船航向一致性控制模型；建立自适用事件触发机制，得到每个智能体的触发时间间隔的表达式；将设计的多无人船航向一致性控制模型和分布式自适用事件触发条件代入到多无人船的模型中，从而完成多无人船系统一致性控制。本发明方法大大降低了无人船之间的通信频率，且无人船的航向可以达到一致，采用分布式异步事件触发机制，不需要时钟同步，事件触发机制可有效排除Zeno现象，最小事件触发间隔时间可设计。

技术研发人员：赵中原,杨志强,夏伦超,曹澄洁,杨巨
受保护的技术使用者：南京信息工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13