[发明专利]一种无人船集群的无速度传感器分布式协同控制系统

说明书

本发明涉及一种无人船集群的无速度传感器分布式协同控制系统，该系统包括运动‑动力联合控制模块、速度‑模型联合估计模块、通信网络以及被控无人船集群，所述的通信网络用以接收被控无人船集群的位置与速度信号，所述的运动‑动力联合控制模块的输入端分别连接通信网络的输出端、速度‑模型联合估计模块的输出端以及被控无人船的输出端，所述的速度‑模型联合估计模块的输入端连接运动‑动力联合控制模块的输出端以及被控无人船的输出端，用以实现被控无人船集群的协同运动。与现有技术相比，本发明具有提高协同控制器的经济性与可靠性、提高无人船集群的灵活性和可操作性以及降低算法的运算负担等优点。

技术领域

本发明涉及无人船控制技术领域，尤其是涉及一种无人船集群的无速度传感器分布式协同控制系统。

背景技术

无人船是一种重要的现代海洋装备，具有费效比低、扩展性好等优点，可以代替有人舰船在复杂海洋环境中执行任务，因此成为了执行环境检测、海洋搜救、资源探查、沉船考古、安保巡逻等任务的重要平台，但是受体积、成本、续航等客观因素制约，单艘无人船作业能力有限，很难胜任大规模海洋任务，因此需要采用多艘无人船进行集群协同作业，无人船集群协同已经成为了海洋装备开发中的一个热点技术问题。

目前，针对无人船集群协同问题，许多技术发明已经给出了各自的解决方案，但仍存在以下问题：

第一，现有的无人船集群协同方法中，通常为每艘无人船各自分配一条路径，这种方案属于集中式通信。集中式通信要求通信网络具有极高的速度与带宽，存在可靠性较差、缺乏扩展灵活性等缺点。当中心节点出现故障时，集群有瘫痪的风险，这种方式不适合复杂多变海洋环境下的大规模作业任务。

第二，现有的无人船集群协同方法通常考虑船速已知情形，并基于理想的船速信息设计控制器。但是在复杂海洋环境下，船速传感器有故障失效的潜在风险，甚至部分低成本无人船并未配备速度传感器。因此，从提升控制性能与压缩开发成本的角度出发，需要考虑新的无速度传感器协同控制方案。

第三，现有的无人船集群协同方法通常将运动学控制与动力学控制分别考虑，协同控制器通常不少于两个子控制律。这种控制器结构设计复杂，需要求取精确的运动学控制律导数信息，工程应用存在困难。因此，从降低控制器设计复杂度的角度，需要考虑基于运动学与动力学联合的协同控制方案。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种无人船集群的无速度传感器分布式协同控制系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种无人船集群的无速度传感器分布式协同控制系统，该系统包括运动-动力联合控制模块、速度-模型联合估计模块、通信网络以及被控无人船集群，所述的通信网络用以接收被控无人船集群的位置与速度信号，所述的运动-动力联合控制模块的输入端分别连接通信网络的输出端、速度-模型联合估计模块的输出端以及被控无人船的输出端，所述的速度-模型联合估计模块的输入端连接运动-动力联合控制模块的输出端以及被控无人船的输出端，用以实现被控无人船集群的协同运动。

所述的速度-模型联合估计模块包括船速观测器、比较器和逼近器，用以根据无人船自身位置信号与无人船控制信号输出船速观测信号和模型辨识信号。

所述的运动-动力联合控制模块包括协同误差发生器、控制增益发生器、非线性领航信息补偿器、乘法器、加法器与取反器，用以对接收到的邻近无人船集群信号与自身运动信号进行偏差处理，并与速度-模型联合估计模块的输出信号经过联合计算输出无人船控制信号。

所述的被控无人船集群包括多个被控无人船和一个虚拟领航者。

所述的被控无人船在地球参考坐标系下的运动模型为：