本發(fā)明涉及無人系統(tǒng)編隊控制，特別是涉及事件觸發(fā)輸出約束的?？债悩?gòu)無人系統(tǒng)預定時間編隊方法。

背景技術(shù)：

1、隨著海上優(yōu)勢成為國家技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵戰(zhàn)略重點，由無人機和無人艇組成的異構(gòu)多智能體系統(tǒng)已成為研究熱點。該異構(gòu)多智能體系統(tǒng)通過結(jié)合無人機和無人艇的獨特優(yōu)勢，提供了卓越的有效載荷和任務(wù)配置能力，使其在?？兆鲬?zhàn)中的跨領(lǐng)域協(xié)作中具有不可估量的價值。然而，由于無人機和無人艇之間的不同動態(tài)特性、結(jié)構(gòu)差異、空間維度和模型參數(shù)變化，這使它們的協(xié)調(diào)操作和控制變得復雜。

2、例如在網(wǎng)絡(luò)帶寬有限的情況下，過度的數(shù)據(jù)傳輸會導致網(wǎng)絡(luò)擁塞。與固定傳輸周期的時間觸發(fā)機制不同，事件觸發(fā)控制根據(jù)特定的觸發(fā)條件更新系統(tǒng)，有效減少冗余信息傳輸，最大限度地減少資源浪費。在具有不確定擾動的二階主從多智能體系統(tǒng)的基于有限時間的事件觸發(fā)一文中，作者通過設(shè)計了一種事件觸發(fā)機制，一定程度上解決了通信資源浪費問題，提高了通信的效率，但是該文是基于有限時間的框架，而沒有解決事件觸發(fā)機制與預定義時間控制的問題，此外，該文側(cè)重于具有固定閾值的事件觸發(fā)策略，沒有探索適應(yīng)系統(tǒng)狀態(tài)的時變閾值策略。

3、解決輸出約束是一個關(guān)鍵但經(jīng)常被忽視的問題。輸出約束，如位置和速度的約束，源于物理性能特征或外部環(huán)境因素。在具有飽和輸入和部分狀態(tài)約束的多智能體系統(tǒng)的事件觸發(fā)自適應(yīng)控制一文中，作者只集中研究了輸入約束，如轉(zhuǎn)速和舵角，但輸出約束，特別是在異構(gòu)無人艇-無人機系統(tǒng)中，受到的關(guān)注較少。然而，約束位置誤差和輸出對于確保編隊任務(wù)期間的安全至關(guān)重要，因為突然的負載變化、電流或電壓不穩(wěn)定或環(huán)境干擾引起的過度跟蹤誤差可能會帶來重大風險。最近，障礙李雅普諾夫函數(shù)已被用于管理具有狀態(tài)和輸出限制的非線性系統(tǒng)，通過時變障礙李雅普諾夫函數(shù)在解決靜態(tài)對稱約束和時變非對稱約束方面具有優(yōu)勢。盡管障礙李雅普諾夫函數(shù)具有潛力，但很少在預定義的時間收斂框架下應(yīng)用于無人駕駛飛行器多智能體系統(tǒng)的編隊控制，這突顯了未來研究的一個有前景的領(lǐng)域。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于事件觸發(fā)的具有非對稱輸出約束的?？债悩?gòu)無人系統(tǒng)的預定時間分布式編隊控制方法，解決了在預定時間框架且具有輸出約束的情況下，實現(xiàn)異構(gòu)無人艇-無人機系統(tǒng)的分布式編隊控制，同時通過自適應(yīng)動態(tài)事件觸發(fā)機制，極大地提高了通信效率，可以節(jié)約60％-80％的通信資源。

2、為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用技術(shù)方案具體為：一種基于事件觸發(fā)的具有非對稱輸出約束的異構(gòu)無人艇-無人機系統(tǒng)的預定時間分布式編隊控制方法，包括以下步驟：

3、步驟一：使用坐標變換將欠驅(qū)動異構(gòu)usv-uav系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為二階全動系統(tǒng)；

4、步驟二：為了估計不確定動態(tài)，設(shè)計基于預設(shè)時間的不確定動態(tài)觀測器；

5、步驟三：設(shè)計具有非對稱輸出約束的預設(shè)時間控制算法；

6、步驟四：為節(jié)省通信資源，提出自適應(yīng)預設(shè)時間事件觸發(fā)機制；

7、步驟五：通過李雅普諾夫穩(wěn)定性分析證明誤差的收斂，并排除了芝諾現(xiàn)象。

8、進一步地，所述步驟一中，無人艇在地面系下運動學模型可以表示為

9、

10、式中，(xi(t),yi(t))和ιi(t)分別為第i個無人艇在地面坐標系的位置和航向角；(wi(t),vi(t))和oi(t)為第i個無人艇的線速度和角速度。

11、無人艇動力學模型為

12、

13、其中ui,w(t)和ui,o(t)表示usv的控制輸入，m11,i,m22,i,m33,i是與usv的旋轉(zhuǎn)和運動相關(guān)的質(zhì)量參數(shù)。此外，d11,i,d22,i和d33,i對應(yīng)于與usv流動效應(yīng)相關(guān)的阻尼參數(shù)。

14、由于無人艇的運動學模型為非完整性約束模型，定義新的輸出狀態(tài)變量pi(t)＝[pi1(t),pi2(t)]t為

15、

16、式中，∈為很小的正常數(shù)，表示第i個無人艇參考點到質(zhì)心的距離。

17、由上式，可得其動力學方程為：

18、

19、其中，ui(t)＝[ui,w(t),ui,o(t)]t

20、

21、無人機動力學模型為

22、

23、其中，作用在第i個無人機上的總推力和控制扭矩分別為ui1,ui2,ui3和ui4，代表螺旋槳速度裕度。第i架無人機的位置和姿態(tài)分別pi＝[xi,yi,zi]t和描述。四旋翼無人機的轉(zhuǎn)動慣量為lx,ly和lz。重力加速度g表示，mi是無人機的質(zhì)量；空氣阻尼系數(shù)為dy,dz,dφ和對應(yīng)于適當?shù)姆较蜃枘嵝?yīng)lr是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。

24、引入三個控制變量uxi,uyi?uzi，即i個無人機水平位置、垂直位置和高度。

25、無人機位移子系統(tǒng)可以改寫為

26、

27、其中，ji＝diag{1/mi,1/mi,1/mi}

28、從上述轉(zhuǎn)換可以看出，欠驅(qū)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槿?qū)動系統(tǒng)。

29、只考xy平面中的編隊，每個usv和uav系統(tǒng)的等效狀態(tài)方程表示為

30、

31、進一步地，所述步驟二中，由于異構(gòu)usv-uav系統(tǒng)實際工作環(huán)境的復雜性，相應(yīng)的系統(tǒng)內(nèi)部動態(tài)fi(t)存在不確定性。不確定動態(tài)是關(guān)于實際物理內(nèi)部狀態(tài)的向量值函數(shù)，因而是連續(xù)有界的，且滿足：||fi(t)||≤bi,f,bi,f＞0。

32、引入時變標量函數(shù)

33、

34、式中，h＞1為任意實數(shù)，t1＝t0+t，t＞0為特定常數(shù)。μ-q(q＞0)在[t0,t1)上單

35、不確定動態(tài)觀測器的具體設(shè)計步驟如下：

36、步驟1：定義一個輔助變量：

37、ei(t)＝vi(t)-λi(t)

38、其中，λi(t)滿足如下動態(tài)估計方程：

39、

40、式中，是正增益，并且的增益值大于bi,f。tanh(·)是雙曲正切函數(shù)，而是fi(t)的估計。

41、根據(jù)輔助變量定義上式，其導數(shù)滿足

42、

43、步驟2：定義動態(tài)估計誤差如下：

44、

45、由式步驟1及上式，可得

46、

47、假設(shè)在有界不確定動態(tài)||fi(t)||≤bi,f,bi,f＞0下，所設(shè)計的預設(shè)時間動態(tài)觀測器能夠在預先設(shè)定的時間內(nèi)準確估計不確定動態(tài)fi(t)，且估計誤差趨于零。

48、選取如下lyapunov函數(shù)：

49、

50、對v2(t)求導數(shù)滿足：

51、

52、進一步，可得

53、

54、式中，bf＝max{b1,f,…,b2,f},且δ1為適當?shù)恼?shù)。

55、因此觀測誤差是預設(shè)時間穩(wěn)定的。根據(jù)v2(t)的定義，當t≥t0+t，可以得到v2(t)≡0,進一步有

56、進一步地，所述步驟三中，具有非對稱輸出約束的預設(shè)時間控制算法設(shè)計如下：

57、為了便于分析，做出以下假設(shè)：

58、假設(shè)一：‖pd‖,都是有界的，ji(t)‖≤αi,r,r1和αi都是正實數(shù)。

59、假設(shè)二：fi(t),ji(t)在連續(xù)條件下均滿足lipschitz。

60、定義編隊跟蹤誤差ζ(t)＝[ζ1(t),ζ2(t),...,ζ2n(t)]t，令

61、設(shè)計障礙函數(shù)如下：

62、

63、其中，z1i為第i個跟隨者的編隊跟蹤誤差，kbi,kai為受限函數(shù)，p≥1。

64、kai(t):

65、kbi(t):

66、

67、通過誤差坐標變換

68、ξi(t)＝q(z1i)ξbi(t)+(1-q(z1i))ξai(t)很明顯，v3是正的且連續(xù)可微的，對其求導：

69、

70、設(shè)計α1j為：

71、

72、將其帶入得

73、

74、其中，時變增益為

75、

76、結(jié)合

77、

78、并對q＝0和q≠0分別討論，我們得到

79、

80、其中

81、設(shè)計的控制輸入如下：

82、

83、進一步地，所述步驟四中，基于預定時間的自適應(yīng)動態(tài)事件觸發(fā)機制的設(shè)計如下：

84、先定義事件觸發(fā)誤差ei(t)，其表示系統(tǒng)的觸發(fā)時刻與當前時刻系統(tǒng)狀態(tài)之間的誤差。

85、

86、設(shè)計如下自適應(yīng)事件觸發(fā)機制：

87、

88、式中：σi(t)為可變參數(shù)，其初值滿足0＜σi(0)＜1,ε＞0,θ＞0。

89、在事件觸發(fā)方案下，ti,k為上一觸發(fā)時ti,k+1為當前觸發(fā)時刻，k＝0,1,2,...為事件發(fā)生的次數(shù)。ui(t)僅在ti,k+1時刻進行更新，否則在零階保持器作用下將維持ti,k時刻的值，即ui(t)＝u(ti,k)。

90、進一步地，所述步驟五中，穩(wěn)定性的證明以及芝諾現(xiàn)象的排除如下：

91、選取lyapunov函數(shù)：

92、

93、求導得：

94、

95、把控制輸入u(t)代入，得

96、

97、其中結(jié)合假設(shè)，進一步可得：

98、

99、接著，我們可以得到v(t)＝v3(t)+v4(t)的導數(shù)滿足：

100、

101、結(jié)合預設(shè)時間引理，可知系統(tǒng)在不違反輸出界限的前提下，可以在預定時間下實現(xiàn)編隊誤差的收斂。

102、如果系統(tǒng)初值pi(0)滿足則

103、(1)編隊誤差z1滿足：

104、

105、其中，

106、(2)非對稱輸出受限始終滿足：芝諾現(xiàn)象的排除：

107、控制率在滿足一定條件下才會更新，否則將會保持上一觸發(fā)時刻的數(shù)值。在所有假設(shè)都成立的條件下，存在一個最小的事件觸發(fā)時間間隔：

108、

109、由

110、

111、已知是有界的，所以存在一個qi＞0，使由于對積分，得：

112、

113、因此，最小的事件觸發(fā)時間間隔為：

114、

115、本發(fā)明提出了一種基于預定時間事件觸發(fā)具有時變非對稱輸出約束的控制算法，利用事件觸發(fā)機制減少通信資源浪費，提高編隊任務(wù)中異構(gòu)無人駕駛飛行器多智能體系統(tǒng)的抗干擾能力。

116、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

117、1、通過引入輔助變量，將異構(gòu)欠驅(qū)動uav-usv系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為全驅(qū)動系統(tǒng)，并構(gòu)建了一個具有預定義時間的不確定動態(tài)觀測器。使用領(lǐng)導者-追隨者方法，在預定時間內(nèi)估計無人艇與無人機的不確定性動態(tài)。與以往其他發(fā)明中的有限時間與固定時間相比，預定義時間控制確保了穩(wěn)定性，并保證了在預定義時間內(nèi)的收斂，與初始條件無關(guān)。

118、2、提出了一種針對?？债悩?gòu)無人系統(tǒng)基于預定時間的時變非對稱輸出約束控制方法。為了避免違反輸出約束，使用了非對稱時變障礙李雅普諾夫函數(shù)，并表明輸出可以從原始約束輸出區(qū)域中的任何點開始。

119、3、構(gòu)建了一種動態(tài)自適應(yīng)預定義時間事件觸發(fā)機制，以減少通信資源浪費，可以高度靈活地動態(tài)調(diào)整觸發(fā)條件中的閾值參數(shù)，并確定最小事件觸發(fā)時間間隔，以防止芝諾現(xiàn)象的發(fā)生。與以往的靜態(tài)事件觸發(fā)相比，自適應(yīng)動態(tài)事件觸發(fā)機制具有更高的靈活性，資源節(jié)省效率更高。