一种基于动态事件触发的多无人船航向一致性控制方法

1.本发明涉及多智能体协同控制领域，特别涉及一种基于动态事件触发的多无 人船航向一致性控制方法。


背景技术：

2.无人船是指利用传感器、通信、物联网、互联网等技术手段，自动感知和获 得船舶自身、海洋环境、物流、港口等方面的信息和数据，并做出相关反应的智 能体，其在交通运输、海洋垃圾清理、水质检测等方面具有应用前景。
3.如何让多个无人船协同实现航向一致性是当前无人船编队控制面临的问题， 其关键点是开发分布式协议以使多智能体系统中的智能体能够到达一致。多智能 体系统一致性在机器人编队、微电网电源管理、无人机航向以及分布式传感器网 络中得到广泛应用，传统的连续一致性算法或者基于采样的离散一致性算法要求 多智能体系统中的智能体连续或定期与相邻智能体交换相关信息，但在实际网络 中很难实现连续传输。高速信息传输对于多智能体系统网络要求严格，网络的通 信带宽，计算资源和能源传输浪费了多智能体系统的资源，然而每个智能体的资 源是有限的，占用较少系统资源的算法更加实用。
4.现有集中式事件触发控制协议能够解决多智能体系统的平均一致性问题，减 少控制器更新次数，但所有智能体都依赖于集中式事件检测器，需要所有智能体 同时更新控制输入。目前，在分布式事件触发算法中，每个智能体都有自己的事 件检测器，可以克服集中式协议的缺点，但需智能体之间进行连续通信，不能很 好排除zeno行为。静态事件触发算法设计了一个附加的事件触发条件，但对应 参数为常数，时间间隔较小。berneburg和nowzari提出的新颖分布式动态事件 触发函数，扩大了事件的时间间隔，且时间间隔的下限可设计。但是，上述的分 布式事件触发算法，需要对事件触发函数进行连续检测，对于实际系统，特别是 数字控制系统，难以实现。


技术实现要素：

5.发明目的：针对以上问题，本发明目的是提供一种基于动态事件触发的多无 人船航向一致性控制方法。
6.技术方案：本发明的一种基于动态事假触发的多无人船航向一致性控制方法， 包括如下步骤：
7.(1)根据多无人船系统中每条无人船的航向、通信、状态信息建立通信拓 扑图，搭建每条无人船的数学模型；
8.(2)根据无人船航向角的理想值与实际值计算每条无人船的航向偏差变量， 利用通信拓扑图中每条无人船的邻接矩阵及偏差变量，建立对应事件触发机制下 的多无人船航向一致性控制模型；
9.(3)引入采样控制机制，建立触发机制的触发条件，将动态事件触发控制 模型应用到每条无人船的控制器中，实现多无人船航向一致性。
10.进一步，所述每条无人船的数学模型表达式：
[0011][0012]
其中xi表示航向角，ui表示航向角速度控制变量，t表示时间，i为变量，用来区 分不同的无人船体。
[0013]
进一步，令表示船i的事件触发时刻的序列，对于定义航 向偏差变量的表达式为：
[0014][0015]
其中，表示航向角实际值；
[0016]
所述多无人船航向一致性控制模型表达式为：
[0017][0018]
其中a
ij
表示邻接矩阵中i行j列的元素，n为系统中无人船数量；对于表示邻接矩阵中i行j列的元素，n为系统中无人船数量；对于
[0019]
进一步，当多无人船航向一致时，所有无人船的航向角都与每个无人船初始 航向角累计和的平均值相同，表达式为：
[0020][0021]
其中xi(0)为航向角xi(t)初始值。
[0022]
进一步，所述引入采样控制机制，建立触发机制的触发条件的步骤包括：
[0023]
令h代表系统的采样周期，假设无人船智能体通过时钟进行物理同步，每条 无人船仅在采样时间t＝h,2h,
…
检测事件触发条件，事件触发时间集合是采样时间集合{0,h,2h,
…
}的子集，事件触发的最小时间间隔为h，
[0024]
所述触发条件的表达式为：
[0025][0026]
其中，
[0027][0028][0029]
式中θi，βi，δi，σ均为正参数，k为整数，k＝0,1,2,...,n，di为入度矩阵，ζi(0)＞0；
[0030]
将t时刻系统中每条无人船的航向角、航向角实际值、航向偏差表示成矩阵 形式，表达式分别为：
[0031]
x(t)＝[x1(t),
…
,xn(t)]
t
[0032]
[0033]
e(t)＝[e1(t),
…
,en(t)]
t
[0034]
根据矩阵形式将无人船数学模型改写为矩阵形式，表达式为：
[0035][0036]
其中l为对应的拉普拉斯矩阵，假设多无人船系统通信联通拓扑图具有无向图和 连通图；
[0037]
当参数满足以下条件时，在动态事件触发条件下的控制模型保证无人船航向 以指数形式实现平均一致性：
[0038][0039][0040][0041]
其中，λn表示l的最大特征值。
[0042]
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：
[0043]
1、本发明通过设计分布式动态事件触发算法，无人船之间的通信将大幅降 低，节省了更多的通信资源；
[0044]
2、事件触发函数中设计了与无人船状态相关的动态变量，可以延长连续事 件触发时刻间的时间间隔；
[0045]
3、引入了采样控制机制，很好地排除了zeno行为，并且通过定期采样信息 机制，可以轻松地在数字平台上实现。
附图说明
[0046]
图1为实施例无人船通信拓扑图；
[0047]
图2为多无人船系统的航向变化；
[0048]
图3为各无人船的事件触发时刻；
[0049]
图4为控制器的航向角速度控制输入量。
具体实施方式
[0050]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施 例，对本技术进行进一步详细说明。
[0051]
本实施例中的一种基于动态事件触发的多无人船航向一致性控制方法，包括 如下步骤：
[0052]
(1)本实施例中多无人船系统由4条无人船组成，根据每条无人船的航向、 通信、状态信息建立对应的通信拓扑图，如图1所示，令x(0)＝[1,2,3,4]
t
。搭建 多无人船系统的数学模型，每条无人船的数学模型表达式：
[0053][0054]
其中xi表示航向角，ui表示航向角速度控制变量，t表示时间，i为变量，用来区 分
不同的无人船体。
[0055]
(2)根据无人船航向角的理想值与实际值计算每条无人船的航向偏差变量， 利用通信拓扑图中每条无人船的邻接矩阵及偏差变量，建立对应事件触发机制下 的多无人船航向一致性控制模型；
[0056]
令表示船i的事件触发时刻的序列，对于定义航向偏差变 量的表达式为：
[0057][0058]
其中，表示航向角实际值；
[0059]
所述多无人船航向一致性控制模型表达式为：
[0060][0061]
其中a
ij
表示邻接矩阵中i行j列的元素，n为系统中无人船数量；对于表示邻接矩阵中i行j列的元素，n为系统中无人船数量；对于
[0062]
当多无人船航向一致时，所有无人船的航向角都与每个无人船初始航向角累 计和的平均值相同，表达式为：
[0063][0064]
其中xi(0)为航向角xi(t)初始值。
[0065]
(3)引入采样控制机制，建立触发机制的触发条件，将动态事件触发控制 模型应用到每条无人船的控制器中，实现多无人船航向一致性。
[0066]
令h代表系统的采样周期，假设无人船智能体通过时钟进行物理同步，每条 无人船仅在采样时间t＝h,2h,...检测事件触发条件，事件触发时间集合是采样时间集合{0,h,2h,...}的子集，事件触发的最小时间间隔为h。
[0067]
所述触发条件的表达式为：
[0068][0069]
其中，
[0070][0071][0072]
式中θi，βi，δi，σ均为正参数，di为入度矩阵，ζi(0)＞0；
[0073]
本实施例多无人船系统的四条无人船的参数设置如下：
[0074]
ζ1(0)＝ζ2(0)＝ζ3(0)＝ζ4(0)＝2，
[0075]
h＝0.01s，σ＝0.1，β1＝β2＝β3＝β4＝2.8，
[0076]
θ1＝θ2＝θ3＝θ4＝1，δ1＝δ2＝δ3＝δ4＝0.9。
[0077]
将t时刻系统中每条无人船的航向角、航向角实际值、航向偏差表示成矩阵 形式，表达式分别为：
[0078]
x(t)＝[x1(t),
…
,xn(t)]
t
[0079][0080]
e(t)＝[e1(t),
…
,en(t)]
t
[0081]
根据矩阵形式将无人船数学模型改写为矩阵形式，表达式为：
[0082][0083]
其中l为对应的拉普拉斯矩阵，假设多无人船系统通信联通拓扑图具有无向图和 连通图；
[0084]
当参数满足以下条件时，在动态事件触发条件下的控制模型保证无人船航向 以指数形式实现平均一致性：
[0085][0086][0087][0088]
其中，λn表示l的最大特征值。
[0089]
在simulink环境中模拟4条无人船组成的多无人船系统，每条无人船具有感 知、通信的能力，在上述给定条件下，对本发明提出的方法进行仿真验证并分析 仿真结果，仿真结果如附图2-附图4所示。其中，附图2表示各无人船航向xi(t) 的变化轨迹，多无人船系统达到了平均一致性且平均一致值为2.5，说明多无人 船系统可以实现航向一致性。附图3为各无人船的事件触发时刻，每个无人船的 事件触发都是稀疏的，并且，两个连续事件触发的时间间隔比0.01秒的h大得多， 证明本发明所设计的基于动态事件触发的多无人船航向一致性控制方法可以大 幅度降低通信频率，减小通信带宽的占用。控制器ui的运行轨迹如附图4所示， 为分段函数，说明相应的无人船i仅在触发时进行更新。