基于FTO 的船舶分布式编队的有限时间控制方法

2020-06-29余玲玲王欣李丽黄蔚付明玉

中国舰船研究 2020年3期

关键词：观测器编队控制器

余玲玲，王欣，李丽，黄蔚，付明玉

1 中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

2 中国人民解放军91999 部队，山东青岛266003

3 哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨150001

0 引言

近年来，随着船舶控制技术的发展，多船编队控制的研究已成为船舶运动控制的热点问题之一。相对于单艘船舶，多船编队作业具有效率高、系统容错性和适应性强等优点。同时，多船编队有广泛的应用前景，如远洋在航补给、海底测绘、护航编队以及海上巡逻和编队扫雷等，因此对多船编队控制的研究具有重要的学术价值和实际应用价值［1］。

目前多船编队控制的研究主要是针对系统无穷时间收敛的控制问题，即系统从初始状态收敛到平衡点的时间无穷大［2-4］。而从时间优化观点来说，能使控制系统在有限时间内收敛的方法是时间最优的控制方法［5］，因此，近年来，有限时间控制吸引了广大研究学者的兴趣［6-7］。

Yan 等［8］探讨了单个欠驱动无人水下航行器（UUV）的轨迹跟踪问题，所提出的控制方案能够使得跟踪误差在有限时间内收敛。Wang 等［9］考虑了船舶未知的动力学模型和干扰的情况，设计有限时间未知干扰观测器以观测未知扰动，并提出有限时间轨迹跟踪控制器，以实现更快的趋近速度及更强的鲁棒性。张国庆等［10］针对全驱动水面船舶动力定位控制问题，假设船舶模型参数摄动和外部扰动的上界已知，提出了一种自适应终端滑模控制方法，使得船舶的位置及艏向角在有限时间内收敛于期望值。Jin［11］考虑了带有视线距离和角度约束的欠驱动水面船，在领导者的其他信息未知的条件下，设计有限时间领导-跟随的编队控制器。上述控制器的设计均基于水下/水面航行器的状态全部已知的条件。实际工程应用中，由于海洋航行器结构限制以及技术原因、成本问题或传感器装备故障等因素，会导致船舶的速度测量值不能实时反馈。然而，现有大部分文献［12-13］针对船舶速度测量值未知设计的观测器均是传统渐近收敛，换言之，被观测的系统状态无法在有限时间内收敛到真实值。而且大部分关于船舶有限时间控制的研究都集中在单船的跟踪问题上，而多船的有限时间编队控制并不是单船有限时间控制的简单扩展，特别是当领航者信息仅局部已知的条件下。

受上述研究成果的启发，本文将针对速度测量值不可直接使用和有界环境干扰下的多艘船舶，研究其分布式编队的有限时间控制问题。首先，仅根据船舶的位置测量值信息，设计有限时间观测器（finite-time observer，FTO）以观测船舶的速度信息，使得观测误差在有限时间内收敛；其次，在领航信息仅局部已知的通信结构下，基于观测值和齐次法设计有限时间编队控制器（finite-time formation controller，FTFC），实现多艘船舶在有限时间内跟踪期望航迹并同时保持期望的队形，以及利用齐次性理论以及李雅普诺夫稳定性判据证明闭环系统的所有误差都能在有限时间内收敛；最后，通过仿真对比分析所提出的分布式编队的有限时间控制方法与传统渐近收敛的编队控制方法的优劣。