事件驱动多无人水面船协调轨迹跟踪控制

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随着海洋资源开发利用的深化和船舶海洋作业任务的不断细化,无人水面船(Unmanned Surface Vehicle,USV)作为一类小型、智能水面自航载体,得到了飞速发展。鉴于单艘无人水面船作业能力有限,海洋资源勘测、海上搜寻围捕等大区域任务往往需要多无人水面船协调控制来完成。良好的协调轨迹跟踪控制算法是无人水面船实现协调跟踪控制的基本保障,协调跟踪控制过程中对通信要求较高,但是一般的无人水面船有船载能量有限,且易受海洋环境干扰,影响测量精度。如何在现有条件下提出能够节约有限的资源、提高控制系统可靠性的协调轨迹跟踪控制方法是亟待解决的重要问题。因此,本文针对存在海洋环境干扰的无人水面船协调跟踪控制问题,基于事件驱动控制框架,研究基于聚合跟踪误差的事件驱动无人水面船协调轨迹跟踪控制方法,在保证跟踪效果的基础上,提出节能高效的多无人水面船协调跟踪控制算法具有重要意义。首先,对Lyapunov稳定性理论、事件驱动机制原理以及图论的相关理论和定理进行阐述,并对无人水面船建立水平面三自由度运动数学模型,为后续研究奠定数学基础,并提供理论支撑。然后,基于领航者跟随协调策略,并引入虚拟领航者,在假设仅虚拟领航者已知期望轨迹和期望速度的条件下,通过跟随者的队形位置跟踪误差和速度跟踪误差构造聚合跟踪误差,得到协调跟踪控制系统的误差动力学模型,并通过自适应项补偿外界干扰,提出基于聚合跟踪误差的非连续无人水面船分布式自适应协调轨迹跟踪控制算法;进而,针对自适应非连续协调轨迹跟踪控制器导致的抖震问题,通过边界层理论和η修正进行研究分析,进而提出连续的多无人水面船分布式协调轨迹跟踪控制,通过仿真验证所提的控制算法的有效性。最后,引入事件驱动控制思想,构建事件驱动控制框架,在所提出的分布式自适应协调轨迹跟踪控制算法的基础上,定义聚合跟踪误差,并定义事件驱动辅助测量误差,构造事件触发条件,提出事件驱动的多无人水面船协调轨迹跟踪控制;更进一步,为解决所提出的事件触发方法受邻居船事件触发状态影响的问题,基于所定义的联合测量误差建立事件驱动条件,提出带有最小采样时间且仅与自身状态有关的事件驱动协调轨迹跟踪控制。根据Lyapunov稳定性原理论证系统的稳定性,证明整个系统不会出现Zeno现象,通过仿真验证所提的控制算法的有效性。
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