基于自抗扰技术的水面无人艇编队控制

摘要

水面无人艇(Unmanned Surface Vehicle，USV)是一种新型的海上作业平台，因其模块化、无人化、智能化等优点在海洋侦察和军事领域中得到了全面推广。然而由于海洋环境具有复杂多变的特点，仅仅依靠单艇作业无法完成预期的目标，编队控制以其特有的高度适应性、容错性、鲁棒性及自组织性有效弥补了单艇难以完成复杂任务的缺陷，是近年来学者研究的重点。 本文主要研究了水面无人艇编队在存在外界扰动和执行机构时滞的情况下如何能够保证各艇以预期的距离和角度持续航行，论文的具体工作内容如下: 首先，综述了水面无人艇编队控制的国内外发展现状，对无人艇编队的控制方法及数学模型进行介绍，选取无人艇的三自由度运动对控制模型进行简化，基于领导跟随者编队模型给出了领航艇和跟随艇之间的相对运动方程。 其次，针对水面无人艇的编队控制问题，提出了自抗扰控制器(Active Disturbance Rejection Controller,ADRC)，并对其结构以及原理进行了分析。考虑到ADRC存在参数众多，难以整定的现象，利用粒子群算法(Particle Swarm Optimization，PSO)收敛速度较快，简单易于实现的优点，对其控制参数做优化处理，进而提高控制器的性能。 再次，针对执行机构存在时滞的问题，提出在状态观测器的输入端加入延时环节，使控制输入量u延迟与时滞相同的时间。由于在实际航行过程中，延时时间是未知的，因此，本文考虑采用广义互相关时延估计的方法(Generalized Cross Correlation，GCC)对执行机构中存在的时滞进行估计，实现控制回路与观测回路时滞信息的同步，避免了因时滞而引起的控制器震荡，降低了时滞带来的不良影响。 最后，根据已确定的控制方法，在考虑风流影响和执行机构延迟的情况下，以五艘水面无人艇的领导跟随者编队控制模型为例，采用加入广义互相关时延估计环节的自抗扰控制器对整个编队队形进行控制，仿真结果表明该控制器具有良好的鲁棒性和适应性，能够保持预期的编队队形。