[发明专利]一种无人驾驶船舶非周期采样远程操控系统及设计方法

权利要求书

1.一种无人驾驶船舶非周期采样远程操控系统，其特征在于：包括逼近器、预估器、比较器、保持器、动力学控制器、存储器、事件触发器和无线通信网络；所述的保持器有两个，分别是远程端保持器和船端保持器；所述的存储器有两个，分别是远程端存储器和船端存储器；

所述的逼近器的输入端分别与比较器、远程端保持器和远程端存储器相连、输出端分别与动力学控制器和预估器相连；所述的预估器输入端分别与远程端保持器、逼近器和远程端存储器相连、输出端分别与动力学控制器和比较器相连；所述的比较器的另一个输入端与远程端保持器相连；

所述的船端保持器的输入端与无线网络相连、输出端与无人驾驶船舶相连；远程端保持器的输入端与无线网络相连；所述动力学控制器的输入端接收给定速度指令、输出端还与远程端事件触发器和无线网络相连；

所述的船端存储器的输入端与无人驾驶船舶相连、输出端与船端事件触发器相连；远程端存储器的输入端与动力学控制器相连、输出端与船端事件触发器相连；所述远程端事件触发器的输入端分别与动力学控制器和远程端存储器相连、输出端与无线网络相连，控制无线传输的通断；所述船端事件触发器的输入端分别与无人驾驶船舶和船端存储器相连、输出端与无线网络相连，控制无线传输的通断；

所述的船端为无人驾驶船舶，所述的远程端作为控制中心，所述的船端通过无线网络与远程端通信，接收远程端发送过来的控制输入信号并控制无人驾驶船舶，并按照船端事件触发机制控制无线网络发送无人驾驶船舶的状态信息；远程端接收船端的状态数据并进行计算，并按照远程端事件触发机制控制无线网络发送无人驾驶船舶的控制输入数据；船端和远程端通过无线网络形成一个闭环控制系统。

2.一种无人驾驶船舶的非周期采样远程操控系统的设计方法，其特征在于：所述的无人驾驶船舶满足以下数学模型：

其中：

为船体参考系和地球参考系之间的转移矩阵；

η＝[x,y,ψ]^T∈R³

表示无人驾驶船舶以地球为参考系的位置信息，x、y、ψ分别表示无人驾驶船舶在x轴、y轴方向的位置和艏摇角；

ν＝[u,υ,r]^T∈R³

表示无人驾驶船舶以船体为参考系下的速度信息，u、υ、r分别表示无人驾驶船舶的纵向速度、横漂速度和艏摇角速度；

M＝M^T∈R^3×3

表示无人驾驶船舶的惯量；

C(ν)＝-C^T(ν)∈R^3×3

表示科里奥利向心力；D(ν)∈Z^3×3表示非线性阻尼；R^n×m表示n×m维的向量空间，Z^n×m表示n×m维的整数集，[·]^T表示矩阵的转置；g(ν,η)表示回复力与回复力矩，它是由浮力和重力共同作用所引起的；

τ_s＝[τ_us,τ_υs,τ_rs]^T∈R³

表示无人驾驶船舶的纵向速度、横向速度和艏摇角速度的控制输入力矩；

τ_w(t)＝[τ_wu,τ_wυ,τ_wr]^T∈R³

表示无人驾驶船舶受到的由时变风浪流造成的对纵荡速度、横荡速度和艏摇角速度的扰动；

所述的设计方法，包括以下步骤：

A、逼近器的设计

逼近器采用径向基函数神经网络逼近技术，用来补偿系统不确定性与外部扰动；

将式(1)中无人驾驶船舶的动力学模型改写为以下形式：

其中：

f(·)＝-C(ν)ν-D(ν)ν-g(ν,η)+τw(t)

未知函数f(·)包含了三个方向的未知动态分量，分别为纵向方向的未知动态、横漂方向的未知动态和艏摇方向的未知动态，因此f(·)写成：

f(·)＝[f_u(·),f_υ(·),f_r(·)]^T

使用神经网络逼近如下：

其中，W＝[W_u,W_υ,W_r]∈R^n×3为权值矩阵，满足和和是正常数；σ_f(·)∈Rⁿ为激活函数，ε_i是神经网络的逼近误差，i＝1、2、3，满足是正常数，输入向量：

其中，u_s、υ_s和r_s为保持器输出的无人驾驶船舶状态信息，t_d＞0为采样周期；用表示W的估计值，则逼近器输出为：

设计权值更新率如下：

其中，Γ_u,Γ_υ,Γ_r∈R⁺均为参数,Proj[·,·]为投影运算，和为比较器的输出；

B、比较器的设计

比较器的输入为远程端保持器输出的无人驾驶船舶状态信息v_s和预估器的输出：

由下式：

得到比较器的输出

C、预估器的设计

预估器的输入信号是远程端保持器输出的无人驾驶船舶状态信息v_s、控制信息τ_s以及逼近器输出的对不确定性的估计信息τ_a；设计基于神经网络的预估器表达如下：

式中，F＝diag{k₁,k₂,k₃}∈R^3×3为待选取的预估器的增益参数，diag{}表示对角阵；

D、动力学控制器的设计

基于预估器设计如下的动力学控制器：

其中，K＝diag{k₄,k₅,k₆}∈R^3×3是待选取的控制器的增益参数，Δ是正常数，为预估器输出与给定速度的差；

E、事件触发器的设计

事件触发器分为远程事件触发器和船端事件触发器，利用事件触发机制来确定无线网络的通信与否；

在船端事件触发器中，对于一个给定的无人驾驶船舶输出的速度信号采集阈值δ_v＞0，设计如下机制：

||ν_s(t)-ν(t)||＞δ_v (10)

其中，v_s为上一时刻无人驾驶船舶的速度信息，存在船端存储器中，v为当前时刻无人驾驶船舶的速度信息；当不等式(10)成立时，船端事件触发器将控制无线网络与远程端通信，传输当前采样得到的无人驾驶船舶的速度信息v，并用v的值替换v_s的值保存在船端存储器中用做后续的比较；

在远程端事件触发器中，对于一个给定的远程端动力学控制器输出控制信号采集阈值δ_τ＞0，设计如下机制：

||τ_s(t)-τ(t)||＞δ_τ (11)

其中，τ_s为上一时刻的控制器输出值，存在远程端存储器中，τ为控制器当前输出值；当不等式(11)成立或远程端事件触发器得到一个新的系统的纵向速度、横漂速度、艏摇角速度v_s时，远程端事件触发器将控制无线网络与船端通信，传输当前控制器输出值τ，并用τ的值替换τ_s的值保存在远程端存储器中用做后续的比较；远程端存储器还将τ_s输出给预估器和逼近器，这里船端保持器输出的值与远程端存储器输出的值是相等的；

F、保持器的设计

保持器为零阶保持器；对于船端保持器来说，每当无线网络传来一个新值τ时，船端保持器用新值τ替换输出值τ_s并在下次有更新之前保持住；同理，对于远程端保持器来说，每当无线网络传来一个新值v时，远程端保持器用新值v替换输出值v_s并在下次有更新之前保持住。