[发明专利]网络化水面舰艇跟踪控制方法、装置、设备及存储介质

说明书

本发明提供了一种网络化水面舰艇跟踪控制方法、装置、设备及存储介质，该方法包括：对水面舰艇进行建模，得到动力学与运动学模型，设定一个虚拟领导者，其余设定为跟随者；建立各水面舰艇之间的有向拓扑图；根据动力学与运动学模型和有向拓扑图，设计分层控制框架下的滑模面以及控制算法，包括：分布式估计层的控制算法和本地控制层的控制算法；根据分布式估计层的控制算法估计虚拟领导者的状态，跟随者在本层达到编队队形，实现编队控制；根据本地控制层的控制算法驱动每个水面舰艇在预定义时间内跟踪到虚拟领导者。采用分层控制算法实现水面舰艇的编队跟踪控制，且系统状态可以在新的滑模面上收敛到原点，且可应用于不同的复杂系统中。

技术领域

本发明涉及机器人控制领域，尤其涉及一种网络化水面舰艇跟踪控制方法、装置、设备及存储介质。

背景技术

20世纪80年代，美国首先提出了海上无人系统集群的概念。海上无人系统集群是指通过智能化的指挥、协同控制和信息交互，将海洋表面无人飞行器集群、水下无人机器人集群进行有机集成。近些年来，海洋表面无人飞行器的轨迹跟踪控制问题受到了越来越多的关注，因为其既顺应了智能时代下的发展潮流，又满足了有人水面飞行器达不到的要求。

海洋表面无人飞行器的应用主要集中在危险任务或者不适合有人舰艇执行的领域。比如水雷排查，海洋水质监测，定点收集漏油等应用场合。在这些控制问题中，目前应用较多的是单一的水面运载器，它有较大的自由度和工作空间，但是在高度动态的水域中完成一些更复杂的问题时，它的优势就不好发挥作用。网络化水面飞行器的控制因其相对于单一水面运载器具有更多的自由度、更大的工作空间、更高的抗攻击能力等优点而被认为是最重要的研究课题之一此外，与集中控制相比，分布式控制通常具有更强的鲁棒性、灵活性和更高的效率等性能。因此，网络化水面飞行器能更好的解决复杂问题，网络系统中的每个个体相互协作完成任务，发挥整体优势，为海面上的作业任务做出更大的贡献。

发明内容

为了解决单一的水面运载器自由度以及工作空间有限、且集中控制的鲁棒性、灵活性、效率较低的技术问题，本发明提供了一种网络化水面舰艇跟踪控制方法，基于分层控制算法实现，以便于容易让用户自主定义，并可稳定复杂系统。

为了实现上述目的：本发明提供了一种网络化水面舰艇跟踪控制方法，具体包括以下步骤：

对N个水面舰艇进行动力学和运动学建模，得到动力学与运动学模型，并从所述N个水面舰艇设定一个虚拟领导者，其余设定为跟随者；

建立各水面舰艇之间的有向拓扑图；

根据所述动力学与运动学模型和所述有向拓扑图，设计分层控制框架下的滑模面以及控制算法，所述控制算法包括：分布式估计层的控制算法和本地控制层的控制算法；

根据所述分布式估计层的控制算法估计虚拟领导者的状态，跟随者们在所述分布式估计层达到编队队形，实现编队控制；根据所述本地控制层的控制算法驱动每个水面舰艇在预定义时间内跟踪虚拟领导者。

优选地，所述动力学与运动学模型的表达式为：

其中，i∈{1,2,…,N}表示水面舰艇的序号，表示地球定点位置(X_i,Y_i)的坐标，(Ψ_i)为航向角，代表实数集合，表示n维欧几里得空间；表示物体速度矢量(υ_xi,υ_yi)的坐标，(ω_i)为角速度；表示地球固定坐标中的速度/角速度矢量；是控制输入；是扰动向量，其中，M_i，C_i(υ_i)和D_i(υ_i)分别是惯性矩阵、科里奥利和向心矩阵、流体动力阻尼矩阵；是变换矩阵；

虚拟领导者在地球固定坐标中的参考轨迹表达式为：