一种多无人系统有界寻迹编队间隙控制方法与流程

1.本发明涉及无人系统控制方法技术领域，尤其涉及一种多无人系统有界寻迹编队间隙控制方法。


背景技术：

2.随着通信技术、网络技术和传感器技术的发展，多无人系统(无人水下机器人、无人机/飞行器和机器人)的分布式协调控制逐渐进入大众视野。寻迹编队控制作为一种可以实现多无人系统以期望的队形沿着给定的轨道运动的控制技术，广泛地运用于无人驾驶编队、海洋信息采集和太空探索。对于多无人系统来说，如何保持系统能长时间稳定运行，即减少通讯和控制输入能量，是多无人系统控制领域亟需解决的问题。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的在于提出一种多无人系统有界寻迹编队间隙控制方法，以解决上述背景技术所提全部问题或之一。
4.基于上述目的，本发明提供了一种多无人系统有界寻迹编队间隙控制方法，包括如下步骤：
5.s1、确定满足稳态和动态性能的控制参数；
6.s2、依据控制参数确定间歇控制的周期占空比；
7.s3、依据周期占空比确定寻迹参数自适应更新律，依据寻迹参数自适应更新律确定有界寻迹间歇控制律；
8.s4、依据周期占空比确定编队参数自适应更新律，依据编队参数自适应更新律确定有界编队间歇控制律；
9.s5、依据有界寻迹间歇控制律和有界编队间歇控制律确定无人系统的控制律，依据无人系统的控制律完成无人系统的运动控制，再返回执行步骤s3。
10.可选的，所述确定满足稳态和动态性能的控制参数具体包括如下步骤：
11.依据动态和稳态性能确定寻迹控制参数；
12.依据动态、稳态性能和网络代数连通度确定编队控制参数。
13.可选的，所述依据控制参数确定间歇控制的周期占空比具体包括：
14.依据寻迹控制参数确定寻迹参数矩阵的最小特征值；
15.依据编队控制参数确定编队参数矩阵的最小特征值；
16.依据寻迹参数矩阵的最小特征值与编队参数矩阵的最小特征值确定周期占空比。
17.可选的，所述依据周期占空比确定寻迹参数自适应更新律，依据寻迹参数自适应更新律确定有界寻迹间歇控制律具体包括：
18.获取无人系统的当前位置，确定寻迹误差，依据无人系统的当前速度确定寻迹误差的导数；
19.依据寻迹误差、寻迹误差的导数和周期占空比确定寻迹参数自适应更新律；
20.依据寻迹参数自适应更新律确定有界寻迹间歇控制律。
21.可选的，所述依据周期占空比确定编队参数自适应更新律，依据编队参数自适应更新律确定有界编队间歇控制律具体包括：
22.获取无人系统的当前位置和当前速度，依据周期占空比确定广义弧长及广义弧长的导数；
23.依据广义弧长确定编队误差；
24.依据编队误差确定编队参数自适应更新律；
25.依据编队参数自适应更新律确定有界编队间歇控制律。
26.可选的，所述依据有界寻迹间歇控制律和有界编队间歇控制律确定无人系统的控制律，依据无人系统的控制律完成无人系统的运动控制具体包括：
27.依据有界寻迹间歇控制律和有界编队间歇控制律确定无人系统的控制律，并生成无人系统的控制输入；
28.将控制输入输送给无人系统，通过伺服系统完成运动控制。
29.从上面所述可以看出，本发明提供的多无人系统有界寻迹编队间隙控制方法，简单可靠，能够保持系统长时间稳定运行，适用于多无人系统的一致性控制。
附图说明
30.为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书一个或多个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本发明的控制方法的流程示意图；
32.图2为本发明的间歇控制的周期占空比示意图；
33.图3为本发明的有向强连通的网络拓扑示意图。
具体实施方式
34.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本公开进一步详细说明。
35.需要说明的是，除非另外定义，本说明书一个或多个实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书一个或多个实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
36.本说明书一个或多个实施例公开了一种多无人系统有界寻迹编队间隙控制方法，包括如下步骤：
37.s1、确定满足稳态和动态性能的控制参数；
38.s2、依据控制参数确定间歇控制的周期占空比；
39.s3、依据周期占空比确定寻迹参数自适应更新律，依据寻迹参数自适应更新律确定有界寻迹间歇控制律；
40.s4、依据周期占空比确定编队参数自适应更新律，依据编队参数自适应更新律确定有界编队间歇控制律；
41.s5、依据有界寻迹间歇控制律和有界编队间歇控制律确定无人系统的控制律，依据无人系统的控制律完成无人系统的运动控制，再返回执行步骤s3。
42.如图1所示，本发明提供的控制方法，适用于无人系统，符合牛顿质点动力学模型：
[0043][0044]
其中和分别表示在惯性坐标系中的第i个无人系统的位置、速度和控制(加速度)输入，i＝1,2,3,......n。
[0045]
惯性坐标系中的第i个无人系统的期望轨道可以表示为：
[0046]
λ
i
(p
i
)＝0,
[0047]
其中λ
i
:ω
i
→
(
‑
ε
i
,ε
i
)为轨道函数，ω
i
为关于轨道的管状领域并且ε
i
＞0，例如，超椭圆轨道可以表示为：
[0048][0049]
参数κ＝1,3,5,...表示拐角锐度，μ为偏度参数，a和b分别为半长轴长和半短轴长，弧长s
i
可以表示轨道上的“位置”，本技术中期望的在轨编队是指：
[0050]
ξ
i
(s
i
(t))
‑
ξ
j
(s
j
(t))＝0,
[0051]
其中广义弧长ξ
i
是弧长s
i
的函数，满足实际中根据期望队形来选择广义弧长ξ
i
的表达式。多无人系统间的网络拓扑用有向图表示，其中为节点/无人系统集合，为有向边/连接的集合，为邻接矩阵满足a
ij
＝1当节点到节点存在一条有向边，其他a
ij
＝0。图的拉普拉斯矩阵为l＝[l
ij
]，其中l
ii
＝∑
j≠i
a
ij
且l
ij
＝
‑
a
ij
。节点存在一条有向路径到达节点即顺序存在一组有向边从节点到节点其中是中k 1个不同节点的集合。当且仅当存在任意两个节点存在有向路径，则有向图称为强连通的。图的邻接矩阵a＝[a
ij
]可以定义为a
ij
＞0当且仅当时，其他a
ij
＝0。l＝[l
ij
]为图的拉普拉斯矩阵，定义为l
ij
＝
‑
a
ij
。图3所示的是无人系统间的网络拓扑对应的有向强连通图，其中为第1个无人系统；为第2个无人系统；为第3个无人系统。本实施例中的网络拓扑是固定的，并且要求每一个周期中的控制时长下网络拓扑都是保持有向强连通
的。
[0052]
间歇控制关键在于确定周期占空比，即非控制时长与控制时长t间比值如图2所示，t为时间；t为有控制输入的时长；；为无控制输入的时长；每个周期的开始时刻序列为ω
m
,m＝1,2,3,
…
；δ
m
为各周期中有控制输入的截止时刻序列，如图1所示，由于周期占空比是与控制参数有着密切关系的，因此首先根据稳态和动态性能的需求来确定出控制参数，再由控制参数确定间歇控制的周期占空比，依据确定出来的周期占空比确定寻迹参数自适应更新律，再生成有界寻迹间歇控制律，依据周期占空比确定编队参数自适应更新律，再生成有界编队间歇控制律，最后通过有界寻迹间歇控制律和有界编队间歇控制律来共同确定出无人系统的控制律，再依据确定的无人系统的控制律对无人系统进行运动控制，完成一次控制后，由步骤s5重新回到s3，根据无人系统当前的信息，重新确定出有界寻迹间歇控制律与有界编队间隙控制律，再重新生成无人系统的控制律，并完成下一阶段的运动控制，依据此循环动作，对无人系统进行持续的运动控制。
[0053]
本发明提供的控制方法，简单可靠，能够保持系统长时间稳定运行，适用于多无人系统的一致性控制。
[0054]
在一些可选实施例中，所述确定满足稳态和动态性能的控制参数具体包括如下步骤：
[0055]
依据动态和稳态性能确定寻迹控制参数；
[0056]
先由稳态性能确定寻迹控制参数和的可选范围，即
[0057][0058][0059]
其中常数ε满足|ε|＜1。
[0060]
再根据动态性能，在可选范围中选择寻迹控制参数和选择的原则是动态性能越快，参数和越大；
[0061]
依据动态、稳态性能和网络代数连通度确定编队控制参数。
[0062]
由网络拓扑计算对应图的代数连通度：
[0063][0064]
其中，ξ＝diag(ρ1,ρ2,...,ρ
n
)和ρ＝(ρ1,ρ2,...,ρ
n
)
t
满足ρ
t
l＝0且
[0065]
由代数连通度和稳态性能确定编队控制参数的可选范围，即：
[0066][0067]
当网络存在参考信号，即a0＝1，编队控制参数的可选范围为：
[0068][0069]
否则，编队控制参数为任意正常数，再根据动态性能，在可选范围中选择编队控制参数和选择的原则是动态性能越快，参数和越大。
[0070]
在一些可选实施例中，所述依据控制参数确定间歇控制的周期占空比具体包括：
[0071]
依据寻迹控制参数确定寻迹参数矩阵的最小特征值；
[0072]
由寻迹控制参数和计算寻迹参数矩阵：
[0073][0074]
进而计算该矩阵最小特征值λ
min
(k
n
)。
[0075]
依据编队控制参数确定编队参数矩阵的最小特征值；
[0076]
由编队控制参数和计算编队参数矩阵：
[0077][0078]
进而计算该矩阵最小特征值λ
min
(k
t
)。
[0079]
依据寻迹参数矩阵的最小特征值与编队参数矩阵的最小特征值确定周期占空比。
[0080]
由λ
min
(k
n
)和λ
min
(k
t
)确定周期占空比θ的范围，即：
[0081][0082]
θ的选择应该尽量小，这样可以保证每个周期中有控制的时间段变小，有利于无人系统增加运行时间，保持长时间的稳定运行。
[0083]
在一些可选实施例中，所述依据周期占空比确定寻迹参数自适应更新律，依据寻迹参数自适应更新律确定有界寻迹间歇控制律具体包括：
[0084]
获取无人系统的当前位置，确定寻迹误差，依据无人系统的当前速度确定寻迹误差的导数；
[0085]
获取无人系统当前位置p
i
，计算寻迹误差再依据无人系统当前速度v
i
计算寻迹误差的导数：
[0086]
[0087]
其中
[0088]
依据寻迹误差、寻迹误差的导数和周期占空比确定寻迹参数自适应更新律；
[0089]
由寻迹误差及其导数确定寻迹参数自适应更新律：
[0090][0091]
其中，以及自适应参数
[0092]
依据寻迹参数自适应更新律确定有界寻迹间歇控制律。
[0093]
由寻迹误差和确定有界寻迹间歇控制律，同时有界寻迹间歇控制律需要满足如下要求，即：
[0094][0095]
其中，参数
[0096]
在一些可选实施例中，所述依据周期占空比确定编队参数自适应更新律，依据编队参数自适应更新律确定有界编队间歇控制律具体包括：
[0097]
获取无人系统的当前位置和当前速度，依据周期占空比确定广义弧长及广义弧长的导数；
[0098]
由无人系统的当前位置和速度确定广义弧长ξ
i
(s
i
)及其导数：
[0099][0100]
其中，和
[0101]
依据广义弧长确定编队误差；
[0102]
再依据邻居信息的ξ
j
和η
j
计算编队误差：
[0103][0104]
其中η
*
为期望的环绕速度参考信号。
[0105]
依据编队误差确定编队参数自适应更新律；
[0106]
由ξ
i
、η
i
和计算编队参数自适应更新律：
[0107][0108]
其中，其中，且自适应参数
[0109]
依据编队参数自适应更新律确定有界编队间歇控制律。
[0110]
由和确定有界编队间歇控制律使得编队误差减少到满足的设计要求，即：
[0111][0112]
其中，参数
[0113]
在一些可选实施例中，所述依据有界寻迹间歇控制律和有界编队间歇控制律确定无人系统的控制律，依据无人系统的控制律完成无人系统的运动控制具体包括：
[0114]
依据有界寻迹间歇控制律和有界编队间歇控制律确定无人系统的控制律，并生成无人系统的控制输入；
[0115]
将控制输入输送给无人系统，通过伺服系统完成运动控制。
[0116]
将有界寻迹间歇控制律与有界编队间歇控制律联列求解得到寻迹编队间歇控制输入，也就是无人系统的控制律，即：
[0117][0118]
由上位机将控制输入发送给下位的无人系统，再通过伺服系统完成当前周期的运动控制，完成后重复步骤s3
‑
s5，以实现长时间的运动控制。
[0119]
上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
[0120]
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例
或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本说明书一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
[0121]
本说明书一个或多个实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。