基于领导者—跟随者的无人艇编队路径跟踪控制研究

• 作 者: 廖刚
• 出 处: 武汉理工大学
• 发表日期: 2019年01期
• 关键词: 多无人艇 编队控制 模型参数不确定性 避碰策略 通讯时延

水面无人艇凭借着小型化、高速化、智能化等优势被各国研究机构所关注。无人艇在军事和民用方面均具有重要的使用价值。随着无人艇所承担的任务越来越复杂,单一无人艇的能力愈显不足,多艇协同的优势被不断凸显出来,使任务能更高效率和更高质量地完成。本文针对无人艇数学模型中存在模型参数不确定项、航行过程中可能遭遇障碍物以及多无人艇间存在通讯时延等问题,采用领导者-跟随者的策略进行了编队控制研究。本文主要的研究内容包括:(1)针对无人艇数学模型中存在参数不确定性的问题,设计了鲁棒自适应编队控制器。首先在建立的标准模型上考虑模型参数的不确定项,其次建立了编队跟踪误差模型,然后将编队路径跟踪控制分为两个任务:路径跟踪和编队形成。通过计算预设路径上的期望点与无人艇当前位置之间的偏差,使用反步法设计路径跟踪子控制器,保证每艘无人艇在水平面上沿着参考路径行驶。编队协调子控制器采用鲁棒自适应控制方法,通过调整跟随艇的速度以保持设定的编队队形。同时自适应地估计出外界环境力界值和由模型参数不确定导致的系统不确定项的界值。最后仿真实验验证了所提出的路径跟随编队控制方法的有效性。(2)针对无人艇编队循迹过程中可能遭遇未知环境中的动、静态障碍物的问题,设计了避碰策略和避碰控制器。首先对障碍物进行建模,并定义障碍物区域、避碰区域、冲突区域、检测区域等不同区域以确保无人艇航行的安全性。然后设计了避碰流程、控制模式切换策略以及动、静态障碍物的避碰策略。在避碰策略基础上设计避碰控制器,实现无人艇避开障碍物,以提高无人艇编队航行的安全性。最后通过仿真实验验证了所设计的避碰控制器以及控制模式切换策略的可行性。(3)针对领航艇与跟随艇之间采用无线通讯时存在通讯时延的问题,设计了通讯时延下的无人艇编队控制器。首先对由通讯时延导致传输的数据出现乱序或丢包的情况进行了处理,并建立了考虑时延后的无人艇数学模型。利用自身状态反馈和与领航艇的跟踪误差、速度误差,设计了无人艇编队时延控制器,以提高无人艇编队航行的安全性和稳定性。最后通过仿真验证了在通讯时延情况下控制器的有效性。