基于線性自抗擾技術(shù)的船舶編隊(duì)控制算法研究

江鋒　卞鴻巍

摘要：針對(duì)船舶編隊(duì)控制問(wèn)題， 首先設(shè)計(jì)了基于線性自抗擾LADRC的航跡控制器對(duì)航行中的船舶航跡進(jìn)行控制。LADRC航跡控制器由線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器LESO和比例微PD分控制環(huán)節(jié)組成。在此基礎(chǔ)上，采用領(lǐng)航者-跟隨者法建立了編隊(duì)運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，采用LADRC航跡控制器進(jìn)行船舶編隊(duì)控制。仿真結(jié)果表明，本文方法能精確跟蹤領(lǐng)航船分配的航跡指令完成編隊(duì)隊(duì)形保持。該方法響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，具有較強(qiáng)適應(yīng)性和魯棒性。

關(guān)鍵詞：船舶編隊(duì) 編隊(duì)控制 線性自抗擾 隊(duì)形保持

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）06-0000-00

近年來(lái)，由于航海導(dǎo)航、控制、通訊等技術(shù)的迅猛發(fā)展，編隊(duì)控制在船舶運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注[1-2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)編隊(duì)控制問(wèn)題展開(kāi)了大量的研究并提出了多種編隊(duì)隊(duì)形控制方法，主要包括基于行為法、虛擬結(jié)構(gòu)法、分布式控制法、領(lǐng)航者法（L-F法）等 [3]。文獻(xiàn)[4]針對(duì)無(wú)人機(jī)的“長(zhǎng)機(jī)-僚機(jī)”編隊(duì)建立了編隊(duì)飛行的線性化數(shù)學(xué)模型，采用經(jīng)典的PID控制技術(shù)設(shè)計(jì)了編隊(duì)隊(duì)形保持變換的控制器，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定地隊(duì)形保持功能。但沒(méi)有考慮到被控對(duì)象或外部環(huán)境的變化對(duì)控制器魯棒性的影響。為提高編隊(duì)隊(duì)形控制器的穩(wěn)定性，肖亞輝[5]等人設(shè)計(jì)了基于模糊PID的無(wú)人機(jī)編隊(duì)控制器，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)控制。PID控制器的積分反饋會(huì)使閉環(huán)系統(tǒng)反應(yīng)遲鈍并產(chǎn)生震蕩和穩(wěn)態(tài)誤差，同時(shí)微分環(huán)節(jié)對(duì)高頻噪聲具有放大作用。因此，系統(tǒng)容易受到傳感器誤差以及各類外部干擾的影響，導(dǎo)致控制器的性能大大降低。

本文借鑒自抗干擾LADRC技術(shù)的思想設(shè)計(jì)了船舶編隊(duì)控制器。采用線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器LESO將編隊(duì)系統(tǒng)內(nèi)外部擾動(dòng)的總和作為狀態(tài)量進(jìn)行估計(jì)，它不需要其準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，避免PID中積分環(huán)節(jié)的缺陷。以LESO反饋的誤差量估計(jì)值作為PD控制器的輸入來(lái)控制船舶航跡。同時(shí)建立了基于領(lǐng)航者法的船舶編隊(duì)運(yùn)動(dòng)模型，采用本文的航機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)了編隊(duì)隊(duì)形保持。

1 船舶編隊(duì)運(yùn)功模型

3 仿真實(shí)驗(yàn)

以單橫隊(duì)保持為例進(jìn)行說(shuō)明。船舶1、2、3的初始位置分別為（537，297）、（537，167.4）、（537，37.3），以船舶2為領(lǐng)航船，其航跡運(yùn)動(dòng)為X向以20m/s的速度勻速直線運(yùn)動(dòng)，Y向以ylc=x0+35*sin（xlc/100）形式運(yùn)動(dòng)。三艘船舶保持初始相對(duì)位置和方位航行。仿真結(jié)果如圖2示。

通過(guò)對(duì)單橫隊(duì)保持隊(duì)形保持航行仿真分析表明，基于單船航向航跡控制的線性自抗擾算法能很好地移植到船舶編隊(duì)控制中去，完成領(lǐng)航船分配的航跡指令，從而完成船舶整體編隊(duì)控制。

4 結(jié)語(yǔ)

建立了基于領(lǐng)航者法的船舶編隊(duì)控制模型，應(yīng)用基于單船控制的線性自抗擾算法能精確跟蹤領(lǐng)航船分配的航跡指令。仿真驗(yàn)證結(jié)果表明可較好的完成船舶編隊(duì)隊(duì)形控制任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1]Farbod Fahimi.Sliding-mode formation control forunder- actuated surface vessels[J].IEEE Trans on Robotics，2007，23（3）：617-622.

[2]Ghommam J，Mnif F，Poisson G，et al.Nonlinear form- ation control of a group of underactuated ships[C].OCEANS 2007-Europe.Aberdeen，2007：1-8.

[3]丁磊，郭戈.一種船隊(duì)編隊(duì)控制的backstepping 方法[J]. 控制與決策，2012，27（2）：300-303.

[4]鄧婉，王新民，王曉燕等.無(wú)人機(jī)編隊(duì)隊(duì)形保持變換控制器設(shè)計(jì)[J]計(jì)算機(jī)仿真，2011，28（10）：73 -77.

[5]肖亞輝，王新民，王曉燕 等.無(wú)人機(jī)三維編隊(duì)飛行模糊PID控制器設(shè)計(jì)[J]西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，29（6）：834-838.