江鋒　卞鴻巍

摘要：針對船舶編隊控制問題， 首先設(shè)計了基于線性自抗擾LADRC的航跡控制器對航行中的船舶航跡進行控制。LADRC航跡控制器由線性擴張狀態(tài)觀測器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運動數(shù)學(xué)模型，采用LADRC航跡控制器進行船舶編隊控制。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隊形保持。該方法響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，具有較強適應(yīng)性和魯棒性。

關(guān)鍵詞：船舶編隊 編隊控制 線性自抗擾 隊形保持

中圖分類號：TP273 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）06-0000-00

近年來，由于航海導(dǎo)航、控制、通訊等技術(shù)的迅猛發(fā)展，編隊控制在船舶運動控制領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注[1-2]。國內(nèi)外學(xué)者針對編隊控制問題展開了大量的研究并提出了多種編隊隊形控制方法，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[4]針對無人機的“長機-僚機”編隊建立了編隊飛行的線性化數(shù)學(xué)模型，采用經(jīng)典的PID控制技術(shù)設(shè)計了編隊隊形保持變換的控制器，實現(xiàn)了穩(wěn)定地隊形保持功能。但沒有考慮到被控對象或外部環(huán)境的變化對控制器魯棒性的影響。為提高編隊隊形控制器的穩(wěn)定性，肖亞輝[5]等人設(shè)計了基于模糊PID的無人機編隊控制器，實現(xiàn)了自適應(yīng)控制。PID控制器的積分反饋會使閉環(huán)系統(tǒng)反應(yīng)遲鈍并產(chǎn)生震蕩和穩(wěn)態(tài)誤差，同時微分環(huán)節(jié)對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)計了船舶編隊控制器。采用線性擴張狀態(tài)觀測器LESO將編隊系統(tǒng)內(nèi)外部擾動的總和作為狀態(tài)量進行估計，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反饋的誤差量估計值作為PD控制器的輸入來控制船舶航跡。同時建立了基于領(lǐng)航者法的船舶編隊運動模型，采用本文的航機控制器實現(xiàn)了編隊隊形保持。

1 船舶編隊運功模型

3 仿真實驗

以單橫隊保持為例進行說明。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，其航跡運動為X向以20m/s的速度勻速直線運動，Y向以ylc=x0+35*sin（xlc/100）形式運動。三艘船舶保持初始相對位置和方位航行。仿真結(jié)果如圖2示。

通過對單橫隊保持隊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控制。

4 結(jié)語

建立了基于領(lǐng)航者法的船舶編隊控制模型，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。仿真驗證結(jié)果表明可較好的完成船舶編隊隊形控制任務(wù)。

參考文獻

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

[4]鄧婉，王新民，王曉燕等.無人機編隊隊形保持變換控制器設(shè)計[J]計算機仿真，2011，28（10）：73 -77.

[5]肖亞輝，王新民，王曉燕 等.無人機三維編隊飛行模糊PID控制器設(shè)計[J]西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，29（6）：834-838.