[发明专利]一种基于时空解耦的多动力定位船舶协同编队控制方法

权利要求书

1.一种基于时空解耦的多动力定位船舶协同编队控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

初始化：设多DP船系统中包括一个虚拟领航船舶和N艘待编队的跟随船舶，N为正整数，

步骤一：分别建立每一艘跟随船舶的运动学模型和动力学模型，获得多DP船系统的速度和坐标参数，

步骤二：以每一艘跟随船舶作为一个节点，跟随船舶的节点集合为V＝{1,2,...,N}，用表示跟随船舶之间的通信路径，则跟随船舶之间的通信模型能够描述为带权重的有向图G＝{V,E}，第i艘跟随船舶和第j艘跟随船舶之间的通信强度系数记为

步骤三：利用多DP船系统的速度和坐标参数对N艘待编队的跟随船舶进行时间与空间任务解耦，设计出空间上的路径跟踪任务和时间上的速度协调编队任务，

步骤四：根据路径跟踪任务和速度协调编队任务分别设计路径跟踪控制器和速度协调编队控制器，

步骤五：设计路径跟踪控制器和速度协调编队控制器的事件触发函数，

步骤六：利用事件触发函数触发多DP船系统的控制方式切换为路径跟踪控制器或速度协调编队控制器，根据切换后的控制器对N艘待编队的跟随船舶进行编队控制；

步骤一中运动学模型表达式为：

动力学模型表达式为：

上述表达式中，多DP船系统的速度参数v＝[u w r]^T中，u和w分别为跟随船舶在随体坐标系中沿x_b、y_b两个轴方向的速度分量，r为随体坐标系下以z_b轴为转轴旋转的角速度，所述随体坐标系为原点在跟随船舶重心的直角坐标系，x_b轴平行于水平面且指向船艏，y_b轴指向右船舷，z_b轴指向船底；

多DP船系统的位置参数η＝[x y ψ]^T中，x和y分别为大地坐标系下跟随船舶的x轴和y轴坐标值，ψ为大地坐标系下跟随船舶的艏向角，为大地坐标系与随体坐标系之间的转换矩阵，M为正定惯性矩阵，C(v)为科里奥利向心力矩阵，D(v)为阻尼矩阵，τ为推进器产生的力，τ_d为外界干扰力；

步骤四中，所述路径跟踪控制器表达式为：

其中，F_u和M_r分别为纵向控制力和转艏力矩，

tanh(S₁)和tanh(S₂)分别为S₁和S₂的双曲正切函数，e_u＝u-u_d，e_r＝r-r_d，d_u＝-X_uuu²-X_www²，d_r＝-N_wuw-N_w|w|w|w|-N_rur，

m和I_z分别为跟随船舶质量和转矩，u_d为跟随船舶的期望航速，c(s)为期望路径的曲率，s为c(s)的变量，β为漂角，ψ_los为水平面趋近角，为路径跟踪的艏向角误差，

X_uu为沿x_b轴方向的轴向力对u的二阶水动力导数，X_ww为沿x_b轴方向的轴向力对w的二阶水动力导数，为沿x_b轴方向的轴向力对加速度的水动力导数，为艏摇力矩力对角加速度的水动力导数，N_w为艏摇力矩力对w的水动力导数，N_ww为艏摇力矩力对w的二阶水动力导数，

k_ψ为艏向角误差控制参数，k_u和k_r分别为S₁和S₂的系数，且k_u0，k_r0，k₂、k₃、k₄和k₅分别为tanh(S₁)、S₁、tanh(S₂)和S₂的控制参数；

事件触发函数f_i(t)表达式为：

其中，σ_i为事件触发函数的控制参数，0＜σ_i＜1，a_i0为第i艘跟随船舶和虚拟领航船舶之间的通信强度系数，λ_L为拉普拉斯矩阵最大特征值，k₆为第i艘与第j艘跟随船舶之间的控制参数，k₇为第i艘跟随船舶和虚拟领航船舶之间的控制参数，

时刻为第i艘跟随船舶上一次触发事件触发函数的时刻，αh时刻表示时刻之后经过α个周期h的时刻，为时刻在S-F坐标系下第i艘跟随船舶与目标路径中任意参考点的姿态误差，ε_ei(αh)为αh时刻在S-F坐标系下第i艘跟随船舶与目标路径中任意参考点的姿态误差，和η_i(αh)分别为时刻和αh时刻第i艘跟随船舶的姿态，和v_i(αh)分别为时刻和αh时刻第i艘跟随船舶的速度，和e_i0(αh)分别为时刻和αh时刻第i艘跟随船舶和虚拟领航船舶之间实际距离与期望距离的误差，和v_i0(αh)分别为时刻和αh时刻第i艘跟随船舶和虚拟领航船舶之间的速度；

当f_i(t)＞0时，采用路径跟踪控制器对N艘待编队的跟随船舶进行编队控制；

当f_i(t)＜0时，采用速度协调编队控制器对N艘待编队的跟随船舶进行编队控制；

所述速度协调编队控制器表达式为：

其中，τ_i(t)为速度协调编队控制率，v_i0为第i艘跟随船舶与虚拟领航船舶之间的速度差，v_ij为第i艘与第j艘跟随船舶之间的速度差，a_i0为第i艘跟随船舶和虚拟领航船舶之间的通信强度系数，e_i0为第i艘跟随船舶与虚拟领航船舶之间实际距离与期望距离的误差，e_ij为第i艘与第j艘跟随船舶之间实际距离与期望距离的误差，为第i艘跟随船舶上一次触发事件触发函数的时刻。