[发明专利]考虑误差约束的海底地震检波飞行节点有限时间构型包含容错控制方法

说明书

考虑误差约束的海底地震检波飞行节点有限时间构型包含容错控制方法，涉及海底地震检波飞行节点构型误差约束包含控制方法。为了解决现有的控制方法不能在推进器发生故障时进行有效控制的问题和控制精度较差的问题。本发明首先建立多海底地震检波飞行节点系统的动力学和运动学方程，将推进器损坏产生的影响表示为推力分布矩阵的变化，然后选取误差函数与有限时间滑模变量，并选择非奇异快速终端滑模面；根据选取的误差函数、有限时间滑模变量和非奇异快速终端滑模面，设计控制器，从而实现海底地震检波飞行节点有限时间构型包含控制。本发明适用于海底地震检波飞行节点有限时间构型包含容错控制。

技术领域

本发明涉及海底地震检波飞行节点构型误差约束包含控制方法。

背景技术

近年来，多自主式水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)的协同控制问题已引起控制领域的极大关注，多AUV协同控制技术的应用也是高度多样化的，如海洋测量和绘图、军事监视和防御、灾难搜救和资源勘探等。而随着海洋资源勘探的日益重要，将多AUV协同控制技术应用到该方面也更加合理与可靠。为完成在海底大范围自动布设、自动回收的综合海底地震检波系统，发明人所在团队提出并使用海地地震检波飞行节点(Ocean Bottom Flying Node，OBFN)来完成勘探任务，海底地震检波飞行节点属于自主式水下机器人的一种。

多AUV协同控制主要有两种类型，即集中式和分布式。对于集中式控制，各AUV的控制信号需要由操作人员或某一特定的AUV进行传递。相比于集中式控制系统，由于分布式系统中各AUV只需获取相邻AUV的信息即可，所以分布式控制系统具有更高的效率、可拓展性和稳定性，在工程中的应用更为广泛。对于分布式控制，通讯拓扑描述了系统中各AUV之间的信息传递关系。一般将其分为两种方式，即无向和有向通讯拓扑。但是，若系统中存在交流误差，基于无向通讯拓扑的分布式控制方法可能会不起作用。相反，在有向通讯拓扑下，只需满足系统的通讯拓扑具有有向生成树即可完成分布式控制，因此基于有向通讯拓扑的控制方法更具有进一步研究的价值。在有向通讯拓扑下，当各AUV的位置和方向信息以离散时间序列进行交换时，《Distributed formation control of 6-DOF autonomousunderwater vehicles networked by sampled-data information under directedtopology.》(Ma,C.,Zeng,Q.:Distributed formation control of 6-DOF autonomousunderwater vehicles networked by sampled-data information under directedtopology.Neurocomputing.154,33-40(2015))研究了多AUV的协同问题，并基于输入到状态稳定特性设计了分布式控制器。对于多AUV的分布式控制，可以根据领航者的数目将其划分为无领航者时的一致性控制、存在单个领航者的跟踪控制以及存在多个领航者的包含控制。但是其是在无领航者的情况下研究的，对于存在多个领航者的包含控制问题不适用。对于多OBFN系统，采用包含控制是可以减少了设备成本的，因为整个系统可以在仅有领航者OBFN收到母船的信息时，共同前往目标区域，这样仅需领航者配有可与母船进行长距离通讯的设备，而跟随者只需载有与邻近的跟随者或领航者进行通讯的设备即可。在海洋技术领域，已有学者对包含控制进行了研究。在假设各AUV的动力学和干扰是平滑的情况下，《Robust containment control in a leader–follower network of uncertain Euler–Lagrange systems》(Klota,J.R.,Cheng,T.,Dixon,W.E.:Robust containment controlin a leader–follower network of uncertain Euler–Lagrange systems.Int.J.RobustNonlinear Control.26,3791-3805(2016))设计了一个分布式控制器，使得各跟随者AUV可以渐进收敛到由任意数量时变的领航者组成的凸包内。应注意到，该控制方法只能实现系统的渐近收敛，而无法满足某些情况下对收敛速度的要求。有限时间控制技术可以实现有限时间收敛，提高系统的性能。当相邻智能体之间的相对状态信息可用时，《Robustfinite-time containment control for high-order multi-agent systems withmatched uncertainties under directed communication graphs》(Fu,J.,Wang,J.:Robust finite-time containment control for high-order multi-agent systemswith matched uncertainties under directed communicationgraphs.Int.J.Control.89(6),1137-1151(2016))使用滑模控制技术为每个跟随者设计了基于观察者的分布式控制器，解决了有向通信拓扑结构下的有限时间控制问题。但是没有考虑容错控制，如果在航行过程中，AUV出现推进器故障，则可能无法顺利完成任务。当OBFN在海洋中航行时，由于环境的复杂性，推进器很容易出现故障，所以系统的容错性能对任务的完成至关重要。《Simultaneous fault detection and consensus control design fora network of multi-agent systems》(Davoodi,M.,Meskin,N.,Khorasani,K.:Simultaneous fault detection and consensus control design for a network ofmulti-agent systems.Automatica.66,185-194(2016))讨论了故障检测和一致性控制问题，仅使用智能体之间的相对输出信息来设计分布式检测估计器，使得所有智能体都达到状态一致或模型参考一致，同时彼此协作来检测群体中故障的发生。但是并未考虑误差约束。推进器故障的存在将使误差变大，所以约束误差有助于提高系统的性能。在具有位置跟踪误差约束的情况下，《High-gain disturbance observer-based backstepping controlwith output tracking error constraint for electro-hydraulic systems》(Won,D.,Kim,W.,Shin,D.,Chung,C.:High-gain disturbance observer-based backsteppingcontrol with output tracking error constraint for electro-hydraulicsystems.IEEE Trans.Control Syst.Technol.23(2),787-795(2015))设计了一种高增益干扰观测器，并使用障碍Lyapunov函数提出了反步控制器，该控制器满足输出约束并且在存在干扰的情况下改善了位置跟踪性能。《Finite-time consensus of nonlinear multi-agent system with prescribed performance》(Li,X.,Luo,X.,Wang,J.:Finite-timeconsensus of nonlinear multi-agent system with prescribedperformance.Nonlinear Dyn.91,2397–2409(2018))研究了具有误差约束的有限时间一致跟踪问题，通过采用应用了障碍Lyapunov函数的误差约束控制，和非奇异快速滑模控制技术，提出了一种新的分布式控制器，以保证多智能体系统与规定的性能同步。