指定性能约束和避碰的异构无人艇编队控制方法及系统

本发明属于无人艇编队控制，尤其涉及一种异构无人艇的指定时间编队控制、指定性能约束与避碰控制技术，可应用于海洋探测、协同作业等多无人艇协同任务场景。

背景技术：

1、无人艇凭借智能化、小型化、轻量化的技术特性，已成为海洋探测、科学考察等海洋作业的核心装备。目前单艘无人艇的轨迹跟踪、路径跟随、抗扰镇定等基础控制技术已积累了丰富的研究成果，但单艇作业在覆盖范围、任务容错性与复杂环境适配能力上存在天然局限。多无人艇协同编队作业能够突破单艇能力边界，更好地适配复杂任务场景，提升作业执行效率，因此无人艇编队控制技术受到了学界与工程界的广泛关注。然而现有无人艇编队控制研究大多针对同构系统展开，即默认编队内所有无人艇的模型结构、动力学参数完全一致。但在实际工程应用中，编队内的无人艇通常存在质量、转动惯量、水动力系数等参数差异，异构无人艇编队控制更贴合实际应用场景，也更具工程价值。

2、在编队控制的安全性能方面，避碰和指定性能约束是编队稳定运行的前提。现有研究通过指定性能约束等方法实现艇间避碰。在控制精度方面，指定性能约束可对编队误差的瞬态与稳态过程进行约束，保证控制精度。目前部分研究通过指定性能约束实现了艇之间的避碰，但是在时间性能方面，难以满足对时间指标有严格要求的海洋作业场景。

3、收敛时间是衡量控制性能的核心指标之一，随着海洋作业对任务时效性的要求不断提升，带明确时间约束的控制方法逐渐成为研究热点。有限时间控制与固定时间控制先后被应用于无人艇控制领域，但二者均存在固有局限。有限时间控制的收敛时长高度依赖系统初始状态，初始误差越大，收敛时间越长，无法保证任务时效的确定性。固定时间控制虽降低了收敛时间对初始状态的依赖，但其设计者无法根据任务需求独立、灵活地预先设定收敛时间。为突破上述技术瓶颈，指定时间控制理论逐步发展成熟。其中时域映射方法通过坐标变换，可将有限时域内的收敛问题转化为无穷时域的渐近收敛问题，实现收敛时间的独立预设，且收敛时间与系统初始条件、控制参数无关。目前该技术已逐步应用于单无人艇轨迹跟踪、随机非线性系统镇定等场景，但在异构无人艇编队控制领域，能够同时兼顾指定时间收敛、编队误差性能约束与艇间避碰的一体化控制方案仍较为缺乏，难以同时满足复杂海洋作业对时效性、控制精度与运行安全的多重需求。

4、现有无人艇编队控制研究大多针对同构系统展开，即默认编队内所有无人艇的模型结构、动力学参数完全一致。但在实际工程应用中，编队内的无人艇通常存在质量、转动惯量、水动力系数等参数差异，异构无人艇编队控制更贴合实际应用场景，也更具工程价值。目前部分研究通过指定性能约束实现了艇之间的避碰，但是在时间性能方面，难以满足对时间指标有严格要求的海洋作业场景。有限时间控制与固定时间控制先后被应用于无人艇控制领域，但二者均存在固有局限。有限时间控制的收敛时长高度依赖系统初始状态，初始误差越大，收敛时间越长，无法保证任务时效的确定性。固定时间控制虽降低了收敛时间对初始状态的依赖，但其设计者无法根据任务需求独立、灵活地预先设定收敛时间。

5、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

6、（1）现有编队控制方案多基于同构系统假设，与实际工程场景适配性不足。

7、当前绝大多数无人艇编队控制研究均默认编队内所有无人艇的模型结构、动力学参数完全一致，但在实际海洋作业中，编队内的无人艇普遍存在质量、转动惯量、水动力系数等参数差异，属于典型的异构系统。若直接将同构编队控制方案应用于异构场景，会因模型失配导致编队跟踪精度下降、系统稳定性变差，无法充分满足实际工程的应用需求。

8、（2）现有带时间约束的控制方法无法实现收敛时间的独立预设，任务时效确定性不足。有限时间控制与固定时间控制是目前应用较广的时间约束控制方案，但二者均存在固有局限。有限时间控制的收敛时长高度依赖系统初始状态，初始误差越大收敛时间越长，无法保证时效的确定性。固定时间控制虽降低了对初始状态的依赖，但设计者无法根据任务需求独立、灵活地预先设定收敛时间，难以适配对时间指标有严格要求的海洋作业场景。

9、（3）异构无人艇编队领域缺少多性能一体化控制方案，难以同时满足时效、精度与安全需求。现有异构无人艇编队相关研究多单独针对避碰能力、误差性能约束或时间收敛特性开展优化，尚未形成能够同时兼顾指定时间收敛、编队误差指定性能约束与艇间碰撞规避的一体化控制框架。若通过叠加多套控制逻辑实现多重目标，易引发控制量冲突、提升计算复杂度，难以在异构无人艇系统上实现稳定可靠的协同控制。

技术实现思路

1、为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种指定性能约束和避碰的异构无人艇编队控制方法，所述技术方案如下：

2、针对带有避碰和指定性能约束的无人艇指定时间编队控制问题，本发明首先通过时域映射技术将指定时间控制问题转化为渐近收敛问题，设计性能函数，保证编队误差的指定性能约束，间接避免领航无人艇与跟随无人艇之间的碰撞；然后，运用backstepping和动态面控制技术设计指定时间编队控制器，所设计的控制器能够保证无人艇的编队误差在指定时间内收敛到零的小邻域。

3、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种指定性能约束和避碰的异构无人艇编队控制方法，包括以下步骤：

4、s1、获取由艘异构无人艇组成的领导-跟随编队框架中各无人艇的运动学与动力学模型，并设定编队内第一艘无人艇的参考轨迹；

5、s2、基于领导-跟随编队框架，根据领航无人艇的实际轨迹以及相对于跟随无人艇的期望相对位姿，生成跟随无人艇的参考轨迹；

6、s3、构建时域映射变换，将原始有限时域内的指定时间编队控制问题映射为无穷时域上的渐近收敛问题，并基于所述时域映射变换计算时变系数；

7、s4、在领导-跟随编队框架下，定义跟随无人艇实际轨迹与参考轨迹之间的编队跟踪误差，并设置对所述编队跟踪误差进行约束的指定性能函数，所述指定性能函数具有指数收敛形式的上下界；

8、s5、根据所述指定性能函数构建误差转换函数，将受约束的编队跟踪误差转换为无约束的转换误差，并对所述转换误差进行时域映射变换，得到无穷时域下的变换误差；

9、s6、采用反步法设计虚拟控制律，并利用动态面控制技术引入一阶滤波器对虚拟控制律的导数进行逼近，以避开对虚拟控制律的直接求导；

10、s7、基于所述虚拟控制律设计无穷时域下的系统控制律和自适应律，用以对未知外界环境扰动进行在线估计与补偿；

11、s8、通过所述时域映射变换的逆变换，将所述无穷时域下的系统控制律和自适应律映射回原始有限时域，获得指定时间编队控制器和自适应律，以驱动各无人艇的编队跟踪误差在指定时间内收敛至零的小邻域，并使得所述编队跟踪误差始终满足所述指定性能函数约束，从而实现领航无人艇与跟随无人艇之间的碰撞规避。

12、本发明的另一目的在于提供一种指定性能约束和避碰的异构无人艇编队控制系统，该系统用于实施所述的指定性能约束和避碰的异构无人艇编队控制方法，该系统包括：

13、数据获取与模型构建模块，用于获取由n艘异构无人艇组成的领导-跟随编队框架中各无人艇的运动学与动力学模型，并设定编队内第一艘无人艇的参考轨迹；

14、参考轨迹生成模块，用于基于领导-跟随编队框架，根据领航无人艇的实际轨迹以及相对于跟随无人艇的期望相对位姿，生成所述跟随无人艇的参考轨迹；

15、时域映射变换模块，用于构建时域映射变换，将原始有限时域内的指定时间编队控制问题映射为无穷时域上的渐近收敛问题，并基于所述时域映射变换计算时变系数；

16、指定性能约束设置模块，用于在领导-跟随编队框架下，定义跟随无人艇实际轨迹与参考轨迹之间的编队跟踪误差，并设置对所述编队跟踪误差进行约束的指定性能函数，所述指定性能函数具有指数收敛形式的上下界；

17、误差转换模块，用于根据所述指定性能函数构建误差转换函数，将受约束的编队跟踪误差转换为无约束的转换误差，并对所述转换误差进行时域映射变换，得到无穷时域下的变换误差；

18、虚拟控制律设计模块，用于采用反步法设计虚拟控制律，并利用动态面控制技术引入一阶滤波器对虚拟控制律的导数进行逼近，以避开对虚拟控制律的直接求导；

19、控制律与自适应律设计模块，用于基于所述虚拟控制律设计无穷时域下的系统控制律和自适应律，用以对未知外界环境扰动进行在线估计与补偿；

20、时域逆映射与控制器输出模块，用于通过所述时域映射变换的逆变换，将所述无穷时域下的系统控制律和自适应律映射回原始有限时域，获得指定时间编队控制器和自适应律，以驱动各无人艇的编队跟踪误差在指定时间内收敛至零的小邻域；

21、控制输入输出接口模块，与所述时域逆映射与控制器输出模块的输出端连接，用于将所述指定时间编队控制器和自适应律输出的控制信号传输至各无人艇的执行机构，驱动各无人艇按照编队控制指令运动。

22、结合上述的所有技术方案，本发明所具备的有益效果为：

23、第一、本发明对带有避碰约束与指定性能要求的无人艇指定时间编队控制问题展开研究。为解决指定时间控制的核心难题，本发明采用时域映射技术将指定时间收敛问题转化为渐近收敛问题；结合backstepping与动态面控制技术，完成指定时间编队控制器的设计；通过构造合适的性能函数，对编队误差实施指定性能约束，从而保障领航无人艇与跟随无人艇之间的避碰要求；基于lyapunov稳定性理论，所设计的控制器可确保无人艇编队误差在指定时间内收敛至零的小邻域，为无人艇指定时间编队控制问题的实际应用提供了坚实的理论基础。根据后续的三艘异构无人艇的数值仿真过程，仿真结果可以实现无人艇编队的指定时间稳定，并且轨迹图体现了无人艇之间的避碰，编队误差可以实现指定性能约束。

24、第二、适配异构无人艇系统，贴合实际工程应用场景。本发明针对编队内无人艇质量、转动惯量、水动力系数存在差异的异构场景设计，突破了传统编队控制方案默认所有艇体模型参数完全一致的同构理想假设，能够有效避免模型失配引发的编队跟踪精度下降、系统稳定性变差等问题，更符合真实海洋作业的工程实际，具备更强的实用价值与场景适配能力。收敛时间可独立预设，任务时效确定性强。本发明采用时域映射技术，通过时间域的变量变换，将有限时域内的指定时间编队收敛问题转化为无穷时域的渐近收敛问题，使编队跟踪误差的收敛时间可由设计者根据任务需求独立预先设定，且收敛时长与系统初始状态、控制参数无耦合关系。相比有限时间控制与固定时间控制，本方法彻底摆脱了初始误差和控制参数对收敛时长的制约，能够严格匹配对时间指标有硬性要求的海洋作业场景，保障编队任务执行的时间确定性。

25、第三、指定性能与避碰约束一体化设计，兼顾控制精度与运行安全。本发明将指定性能约束与安全距离设计融入统一控制框架，通过对编队误差施加瞬态与稳态性能边界约束，严格保障编队跟踪的控制精度。同时通过误差边界阈值与安全距离的匹配设计，实现无人艇间的碰撞规避。该一体化设计在保证指定时间收敛的基础上，同时达成控制精度与运行安全的多重目标，避免了多套独立控制逻辑叠加引发的控制量冲突问题，提升了系统运行的协调性与可靠性。工程端可直接依托异构艇组建编队，降低部署改造成本；收敛时间可独立预设，保障强时效任务的执行确定性；一体化设计兼顾控制精度与避碰安全，避免多逻辑叠加引发的控制冲突与事故风险。