[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

说明书

一种基于时空解耦的多动力定位船舶协同编队控制方法，涉及动力定位船的控制技术领域。本发明是为了解决基于路径跟踪的编队控制策略完成编队任务所需时间长的问题。本发明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，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，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，使多DP船编队控制具有更高更快的效率。

技术领域

本发明属于动力定位船的控制技术领域。

背景技术

多DP(Dynamic Positioning，动态定位系统)船编队控制是指多个DP船编排成一定队形一起航行的形式。编队控制技术贯穿于多DP船编队航行的整个过程中，对于任务的顺利开展和完成具有重要的意义。编队控制的根本是队形的形成和保持，多个体之间编队作业很大程度上提高了个体的作业能力，能够完成一些个体无法完成的复杂任务，提高效率，增强容错性。

当前，实现多DP船协同编队的控制方法主要包括基于领航者—跟随者的方法、基于人工势场的方法、基于虚拟结构的方法、基于行为的方法和基于路径跟随的方法等。其中，基于领航者—跟随者的编队控制方法，优点是结构简单、易于实现，但该算法对领航者过度依赖；虚拟结构法由于将DP船视为虚拟体，对DP船会有较大的约束，缺乏灵活性和适应性，难以应对存在障碍物等海洋中的复杂环境；人工势场法便于处理编队个体之间、编队个体与障碍物之间的相对距离关系，避障性能优越，但对编队队形没有精确的解析表达式，不便于进行编队队形的组织；基于行为的编队控制方法比较容易实现分布式控制，系统应变能力较强，能够较好的应对避碰避障问题，编队也能通过成员相互之间的感知达到队形反馈的目的，但该方法对编队的整体行为没有解析的表达式，不便于进行系统的稳定性分析。

而基于路径跟随的编队控制方法的基本思想是将编队控制任务进行时空分解，得到空间上的路径跟随任务和时间上的协调同步任务，进而实现协调编队控制。该控制方法中各DP船之间交换数据量很小，更适合通信受限的水声环境。另外，如果短时间内编队通信链路出现故障导致个别DP船失联，该DP船仍可沿预设路径航行，不至于处于混乱状态，直至通信恢复正常或者采用其他补救措施。

然而，现有文献对于路径跟踪控制率与协调编队控制率之间的切换策略并未进行阐述。目前关于基于路径跟踪的编队控制策略，均为完成路径跟踪任务后再切换为协调编队控制策略。该控制率切换策略下各DP船要完成编队任务需要较长时间，故有必要提出基于事件触发的控制率切换策略。

发明内容

本发明是为了解决基于路径跟踪的编队控制策略完成编队任务所需时间长的问题，现提供一种基于时空解耦的多动力定位船舶协同编队控制方法。

一种基于时空解耦的多动力定位船舶协同编队控制方法，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，