领航-跟随水面无人船编队固定时间控制研究

• 作 者: 李贺
• 出 处: 大连海事大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 领航-跟随无人船编队 固定时间控制 反步技术 滑模控制 有限时间观测器

随着无人船技术的快速发展,单船运动控制系统日趋成熟完善,并在军事和民用领域得到广泛的应用。然而,仅依靠单船的性能难以满足广阔水域的作业需求,多水面无人船的协同编队控制能够有效弥补单船作业的短板,从而提高执行复杂水域任务的能力,因此关于多无人船的编队控制研究具有巨大的研究价值和理论意义。本文针对无人船领航-跟随编队系统,采用协同轨迹跟踪控制方法,引入固定时间控制算法,提高无人船编队系统的跟踪控制收敛性能;考虑具有未知环境扰动和未建模动态的无人船编队系统跟踪控制问题,通过设计有限时间精准扰动观测器,实现复杂环境下的未知信息辨识与补偿,确保无人船领航-跟随编队的快速精准跟踪控制。具体研究内容如下:首先,针对多无人船领航-跟随编队系统的跟踪控制问题,提出基于反步技术的固定时间控制策略。该策略能够在固定时间内实现稳定的编队跟踪控制,具有良好的收敛性能,并且该固定时间的设定值能够不依赖无人船的初始状态得到。通过Lyapunov稳定性理论严格证明了设计算法的稳定性,仿真结果也进一步验证了控制策略的有效性。其次,针对环境未知扰动下领航-跟随无人船编队系统的跟踪控制问题,结合积分滑模技术,提出基于有限时间扰动观测器的固定时间控制策略。该策略确保了编队系统快速的收敛性能,并克服了反步控制策略中求导复杂的弊端,同时,通过设计的有限时间精准扰动观测器,实现了对未知扰动的快速观测与补偿。严格的数学推理和仿真试验同样验证了所设计控制策略的有效性和优越性。最后,针对复杂环境下领航-跟随无人船编队系统的跟踪控制问题,结合有限时间不确定观测器和非奇异终端滑模技术,设计固定时间控制策略。该策略确保了编队跟踪控制系统的收敛速度和收敛精度,并克服了积分滑模策略中的奇异性问题。同时,将编队系统中的外界扰动项和未建模动态项视为集总的不确定项,通过设计有限时间不确定观测器,对其快速辨识与补偿。从而实现了不依赖无人船模型的精准编队跟踪控制。严格的数学证明和仿真试验验证了所设计的编队控制策略的有效性和优越性。