[发明专利]异构无人系统三维空间编队控制方法

权利要求书

1.一种异构无人系统三维空间编队控制方法，其特征在于，

所述异构无人系统由若干水面无人艇和若干自治水下航行器组成；

所述异构无人系统三维空间编队控制方法包括以下步骤：

步骤S11：建立异构无人系统三维编队通信拓扑模型；

在步骤S11中，异构无人系统三维编队通信拓扑模型表示为：

G＝{V，E}

其中，V＝{1，2，…，n}，V表示参与三维编队的n个无人系统节点的集合，n表示参与三维编队的无人系统节点的个数，无人系统节点是水面无人艇或自治水下航行器；E＝{(i，j)∈V×V}表示参与三维编队的n个无人系统节点之间有向信息路径组成的集合，其中i表示参与三维编队的第i个无人系统节点，i∈[1，n]；j表示参与三维编队的第j个无人系统节点，j∈[1，n]；

建立异构无人系统三维编队通信拓扑模型的邻接矩阵A_ij；邻接矩阵A_ij为n×n的n阶方阵，邻接矩阵A_ij中的元素a_ij满足：当无人系统节点i收到无人系统节点j发送的信息时，有a_ij0；否则a_ij＝0；

建立无人系统节点i的邻居集N_i，无人系统节点i的邻居集N_i记为：

N_i＝{j∈V|a_ij0}＝{j∈V|(j，i)∈E}；

建立异构无人系统三维编队通信拓扑模型的拉普拉斯矩阵L_ij，拉普拉斯矩阵L_ij为：

建立修正Metropolis加权系数矩阵：

其中，N_j为三维空间编队中的无人系统节点j的邻居节点集合，m为整数且对应无人系统节点i的邻居集N_i的一个无人系统节点；

步骤S12：执行航向一致性控制算法；

在步骤S12中，航向一致性控制算法可由下式表示：

其中，表示无人系统节点i的输出航向角；ψ_i为无人系统节点i的实时航向角；n_i表示无人系统节点i的邻居集N_i中的邻居节点的个数；表示无人系统节点i的输入航向角；b_i表示第一航向控制增益，为常数；表示无人系统节点i的目标航向角；ψ_j表示无人系统节点i的邻居集N_i中的邻居节点j的实时航向角；W_ij为修正Metropolis加权系数矩阵；

步骤S13：执行速度一致性控制算法；

在步骤S13中，速度一致性控制算法可由下式表示：

其中，表示无人系统节点i的输出航行速度；v_i表示无人系统节点i的实时航行速度；τ_v表示速度时间常数；表示无人系统节点i的输入航行速度；c_i表示第一速度控制增益，为常数；表示无人系统节点i的目标航行速度；W_ij为修正Metropolis加权系数矩阵；v_j无人系统节点i的邻居集N_i中的邻居节点j的实时航行速度；

步骤S14：如果无人系统节点为自治水下航行器，则执行深度一致性控制算法；

在步骤S14中，深度一致性控制算法可由下式表示：

其中，表示无人系统节点i的输出航行深度；z_i表示无人系统节点i的实时航行深度；τ_z表示深度时间常数；表示深度导数的时间常数；表示无人系统节点i的实时航行深度的导数；表示无人系统节点i的输入航行深度；为深度控制增益，为常数；W_ij为修正Metropolis加权系数矩阵；z_j表示无人系统节点i的邻居集N_i中的邻居节点j的实时深度；γ为权重系数，为常数；表示无人系统节点i的邻居集N_i中的邻居节点j的实时深度的导数；

控制作为无人系统节点的水面无人艇按照输出航向角和输出航行速度运行；

控制作为无人系统节点的自治水下航行器按照输出航向角、输出航行速度和输出航行深度运行。