[发明专利]一种基于反步技术的多无人船固定时间分布式编队控制方法

权利要求书

1.一种基于反步技术的多无人船固定时间分布式编队控制方法，其特征在于：基于预设虚拟领航者无人船期望轨迹，实时执行如下步骤，实现包含1个领航者无人船和各跟随者无人船的分布式编队的协同控制；

步骤A.针对虚拟领航者无人船、领航者无人船、以及各跟随者无人船，建立惯性坐标系下分别对应的运动动力学模型，然后进入步骤B；

步骤B.根据虚拟领航者无人船、领航者无人船、以及各跟随者无人船分别在惯性坐标系下的运动动力学模型，建立领航者无人船、以及各跟随者无人船分别所对应固定时间干扰观测器，用于针对无人船在编队过程中所受不确定动态干扰导致的系统稳定性欠佳问题，进行在线观测与补偿，然后进入步骤C；

步骤C.基于虚拟领航者无人船与领航者无人船所对应的跟踪子级系统，根据预设虚拟领航者无人船、领航者无人船分别在惯性坐标系下的运动动力学模型，构建跟踪子级系统对应领航者无人船的控制器，用于控制领航者无人船跟踪虚拟领航者无人船，然后进入步骤D；

步骤D.基于领航者无人船、以及各跟随者无人船所对应的编队子级系统，根据领航者无人船、以及各跟随者无人船分别在惯性坐标系下的运动动力学模型，构建编队子级系统对应各跟随者无人船的控制器，用于控制各跟随者无人船编队跟踪领航者无人船。

2.根据权利要求1所述一种基于反步技术的多无人船固定时间分布式编队控制方法，其特征在于：所述步骤A中，针对领航者无人船、以及各跟随者无人船，按如下操作，建立分别对应的运动动力学模型；

基于分布式编队中无人船的数量n+1，以及0≤i≤n；

当1≤i≤n对应各跟随者无人船，首先针对各跟随者无人船，建立惯性坐标系下跟随者无人船运动学模型如下：

η_i＝[x_i,y_i,ψ_i]^T，η_i表示第i个跟随者无人船在惯性坐标系中的位置矢量，(x_i,y_i)表示第i个跟随者无人船在惯性坐标系中的位置坐标，ψ_i∈[0,2π]表示第i个跟随者无人船在惯性坐标系中与X轴的夹角，即第i个跟随者无人船在惯性坐标系中的航向角；v_i＝[u_i,v_i,r_i]^T，v_i表示第i个跟随者无人船在船体坐标系中的速度矢量，u_i、v_i、r_i分别表示第i个跟随者无人船在船体坐标系中的前向速度、横向速度、偏航角速度；R(ψ_i)表示第i个跟随者无人船在惯性坐标系和船体坐标系之间的变换矩阵，并且R^T(ψ_i)R(ψ_i)＝I，I表示单位矩阵，||R(ψ_i)||＝1，||R(ψ_i)||表示变换矩阵R(ψ_i)的范数，R^T(ψ_i)S(r_i)R(ψ_i)＝R(ψ_i)S(r_i)R^T(ψ_i)＝S(r_i)，S(r_i)表示一个反对称矩阵，接着针对各跟随者无人船，建立惯性坐标系下跟随者无人船动力学模型如下：

M_i表示第i个跟随者无人船在惯性坐标系中的惯性质量矩阵，m_i,22表示M_i中第2行第2列的元素；C_i表示第i个跟随者无人船在惯性坐标系中的科氏力矩阵；D_i表示第i个跟随者无人船在惯性坐标系中的水动力阻尼参量，即第i个跟随者无人船在惯性坐标系中的水动力阻尼参量矩阵，D_i,11、D_i,22、D_i,23、D_i,33、D_i,32均表示无人船的物理参数、且均大于0；τ_i＝[τ_i,10τ_i,3]^T，τ_i表示第i个跟随者无人船的控制输入矩阵，τ_i,1表示第i个跟随者无人船的前进控制量，τ_i,3表示第i个跟随者无人船的转向控制量；d_i＝[d_i,ud_i,vd_i,r]^T，d_i表示第i个跟随者无人船运动过程中受到的集总干扰矩阵，d_i,u表示第i个跟随者无人船在船体坐标系中对应前向运动过程受到的干扰，d_i,v表示第i个跟随者无人船在船体坐标系中对应横向运动过程受到的干扰，d_i,r表示第i个跟随者无人船在船体坐标系中对应偏航角运动过程受到的干扰；

即基于惯性坐标系下跟随者无人船运动学模型、跟随者无人船动力学模型，构成跟随者无人船对应的运动动力学模型；

然后当i＝0对应领航者无人船，建立跟踪子级系统中惯性坐标系下领航者无人船所对应运动动力学模型如下：

η₀＝[x₀，y₀，ψ₀]^T，η₀表示领航者无人船在惯性坐标系中的位置矢量，(x₀,y₀)表示领航者无人船在惯性坐标系中的位置坐标，ψ₀∈[0,2π]表示领航者无人船在惯性坐标系中与X轴的夹角，即领航者无人船在惯性坐标系中的航向角；v₀＝[u₀，v₀，r₀]^T，v₀表示领航者无人船在船体坐标系中的速度矢量，u₀、v₀、r₀分别表示领航者无人船在船体坐标系中的前向速度、横向速度、偏航角速度；M₀表示领航者无人船在惯性坐标系中的惯性质量矩阵；R₀表示领航者无人船在惯性坐标系和船体坐标系之间的变换矩阵；τ₀＝[τ_0,1 0 τ_0,3]^T，τ₀表示领航者无人船的控制输入矩阵，τ_0,1表示领航者无人船的前进控制量，τ_0,3表示领航者无人船的转向控制量；d₀＝[d_0,u d_0,v d_0,r]^T，d₀表示领航者无人船运动过程中受到的集总干扰矩阵，d_0,u表示领航者无人船在船体坐标系中对应前向运动过程受到的干扰，d_0,v表示领航者无人船在船体坐标系中对应横向运动过程受到的干扰，d_0,r表示领航者无人船在船体坐标系中对应偏航角运动过程受到的干扰。