本发明属于水面无人艇集群控制，具体涉及一种水面无人艇集群系统编队方法。
背景技术：
1、随着海上作业任务的复杂性不断增加，多水面无人艇(unmanned surfacevehicle,usv)集群通过协同工作机制可以完成单个usv难以或无法承担的复杂任务。这种机制允许多艘usv形成一个多智能体系统，从而显著提升其环境感知能力、扩展其作业范围，充分发挥其并行作业带来的时效性优势。
2、usv海上作业任务的实现通常涉及到多种技术的综合应用，其中多usvs的协同控制技术是实现其海上协同任务的关键技术之一。目前，多usvs协同控制技术主要采用分布式控制技术，分布式控制方法允许单艘usv基于相邻usvs之间的局部信息进行独立控制，从而实现usv集群系统的去中心化效果。而包含控制方法作为分布式控制领域的一个重要分支，其控制目标是使所有跟随者最终收敛到由多个领航者组成的凸包内，该方法不仅实现了usv集群的协同效果，还能够引导整个usv集群在特定的目标区域内进行编队航行，包含控制的示意图如图1所示。因此，研究usv集群的分布式包含控制对于海上作业任务的实现具有重要的现实意义。
3、在分布式包含控制算法设计时，考虑到数值模拟以及水动力实验的局限性，在usv动力学建模过程中会存在未知的模型参数和难以建模的动力学部分。并且，usv动力学模型是典型的非线性系统，usv在实际航行中会受到风、浪、流等外部环境干扰，这些干扰构成了usv模型中的未知扰动项。上述两方面因素共同构成了usv动力学模型中存在的广义不确定性。为了确保系统的稳定性，需要补偿这部分时变不确定项，进而提高控制算法的鲁棒性。其次，在利用反步法设计控制器时，常涉及到虚拟制导律的微分操作。由于非线性虚拟制导律的复杂性，其微分操作可能导致控制器的计算量显著增加，对于资源有限的usv而言，这可能导致所谓的“微分爆炸”问题。最后，由于usv主要通过螺旋桨推进器和船舵进行驱动控制，考虑到在实际应用过程中执行器不能输出任意大的控制指令，此时的理论输入值和实际输出值之间存在一定偏差量，也就是会出现控制输入的饱和问题。在设计控制器时，如果不充分考虑这一点，该问题可能会影响系统的稳定性和抗干扰能力。
技术实现思路
1、本发明为了解现有的欠驱动usv集群控制存在系统稳定性差的问题。
2、一种欠驱动水面无人艇集群系统分布式预设时间包含控制编队方法，包括：
3、针对欠驱动水面无人艇集群系统，确定第i个跟随者usv的平面三自由度的运动学和动力学方程最终模型
4、
5、式中，参数表示由不确定参数、未建模动力学以及外部环境扰动组成的广义不确定项，mi*-1表示第i个跟随者的刚体质量-惯性矩阵mi*的逆矩阵；vi、mi、δmi、τi、δτi、τiw、r(ψi)、c(vi)、d(vi)表示第i个跟随者对应的v、m、δm、τ、δτ、τw、r(ψ)、c(v)、d(v)，其中η＝[x,y,ψ]t表示usv在地球坐标系下的位置坐标和艏摇角组成的向量，为的η一阶导数，参数上面的·均表示对应参数的一阶导数；v＝[u,υ,r]t表示船体坐标系下的纵荡速度、横荡速度以及艏摇角速率组成的向量，m表示usv的质量-惯性矩阵，包括刚体质量-惯性矩阵m*以及未知附加质量-惯性矩阵δm；表示usv的控制输入，其中变量τu和τr分别表示纵向推力和艏摇力矩；δτ为饱和差值；τw(t)表示由外部环境引起的未知时变扰动力；r(ψ)为三自由度坐标旋转矩阵，c(v)为科氏力-向心力系数矩阵，d(v)为非线性阻尼系数矩阵；
6、通过预设时间自适应扰动观测器观测系统以实时估计不可测量的外部扰动，所述预设时间自适应扰动观测器为
7、
8、式中，变量是广义不确定项fi的观测值，表示一个光滑函数；ρi表示观测器的中间虚拟变量，表示ρi的一阶导数；表示预设时间标量函数μ1(t)的一阶导数；自适应参数表示对广义不确定项导数的2范数上界值βi的自适应估计值，表示的一阶导数；λ3为观测器系数；
9、根据虚拟制导律和包含控制器对欠驱动水面无人艇集群系统进行控制；
10、所述虚拟制导律如下：
11、
12、式中，表示μ3(t)的一阶导数，变量表示误差变换后新的误差变量，变量表示每艘usv的分布式包含误差，变量表示第i个usv的坐标旋转矩阵，变量表示第j个邻居usv的坐标旋转矩阵，变量和变量ri表示第i个usv的艏摇角速率，变量表示虚拟领航者的位置坐标的一阶导数；变量参数γ1表示制导律系数，并且常数矩阵变量ξ1i表示滤波补偿变量；λmax表示矩阵gi的最大特征值，di表示第i个跟随者的通信拓扑图的总度数，δ0表示一个正常数；
13、包含控制器提供的控制输入如下：
14、
15、式中，表示预设时间函数的一阶导数，变量表示误差变换后新的误差变量，表示滤波变量的一阶导数，变量表示速度信号的跟踪误差，变量表示分布式包含误差，变量qi表示抗饱和辅助系统的输出变量，变量j2i是为了实现预设时间稳定收敛而定义的新的误差变量；参数γ2、γ3表示控制量系数；变量ξ2i表示滤波补偿变量。
16、进一步地，所述虚拟制导律及其一阶导数需经过预设时间指令滤波器处理；预设时间指令滤波器如下：
17、
18、式中，滤波变量分别表示对虚拟制导律及其一阶导数的滤波输出信号，分别表示的一阶导数，变量μ2(t)表示预设时间函数，参数k1,k2表示滤波参数。
19、进一步地，滤波补偿变量ξ1i,ξ2i如下：
20、
21、式中，变量ξ1i,ξ2i表示滤波补偿变量，分别表示变量ξ1i,ξ2i的一阶导数；变量为滤波误差，变量μ3(t)表示预设时间函数，参数γ1,γ2表示滤波补偿参数。
22、有益效果：
23、本发明所的预设时间控制算法允许设计者在算法设计阶段就指定系统达到稳定状态的收敛时间，并且只依赖于单一的时间参数，从而简化了控制器参数的设置，实现了系统收敛时间的显式估计。此外，除了确保包含误差的全状态在预设时间内收敛以外，本发明在整个控制系统中的各个环节实现了预设时间收敛，进一步提升了系统的整体稳定性。相比于动态面控制方法，本发明所设计的预设时间指令滤波器可以确保滤波误差在精确时间内快速收敛，并配合滤波辅助系统及时补偿滤波误差对系统稳定性的影响，用于提高控制指令的平滑性和系统对噪声的鲁棒性。
24、此外本发明在控制器的实际过程中还考虑了驱动usv集群控制存在广义不确定性以及输入饱对控制精度的影响，保证了控制精度。
1.一种欠驱动水面无人艇集群系统分布式预设时间包含控制编队方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种欠驱动水面无人艇集群系统分布式预设时间包含控制编队方法，其特征在于，所述虚拟制导律及其一阶导数需经过预设时间指令滤波器处理，预设时间指令滤波器如下：
3.根据权利要求2所述的一种欠驱动水面无人艇集群系统分布式预设时间包含控制编队方法，其特征在于，滤波补偿变量ξ1i,ξ2i如下：
4.根据权利要求1至3任意一项所述的一种欠驱动水面无人艇集群系统分布式预设时间包含控制编队方法，其特征在于，光滑函数其中φi＝λ2μ1(t)hi；函数其中函数σ(t)是一个正定函数，变量表示速度的观测误差；参数其中参数δi是一个正常数；函数μ1(t)为一个预设时间标量函数。
5.根据权利要求4所述的一种欠驱动水面无人艇集群系统分布式预设时间包含控制编队方法，其特征在于，正定函数σ(t)如下：
6.根据权利要求4所述的一种欠驱动水面无人艇集群系统分布式预设时间包含控制编队方法，其特征在于，速度的观测误差其中为虚拟观测变量，满足
7.根据权利要求4所述的一种欠驱动水面无人艇集群系统分布式预设时间包含控制编队方法，其特征在于，第i个跟随者的饱和差值δτi＝sat(τi)-τi，sat(·)表示饱和函数。
8.根据权利要7所述的一种欠驱动水面无人艇集群系统分布式预设时间包含控制编队方法，饱和函数sat(τi)如下
9.根据权利要求1至3任意一项所述的一种欠驱动水面无人艇集群系统分布式预设时间包含控制编队方法，其特征在于，第i个跟随者usv的平面三自由度的运动学和动力学方程最终模型是基于第i个跟随者usv的平面三自由度的运动学和动力学方程得到的。
10.根据权利要求9所述的一种欠驱动水面无人艇集群系统分布式预设时间包含控制编队方法，其特征在于，三自由度坐标旋转矩阵r(ψ)满足条件rt(ψ)r(ψ)＝i3以及i3为单位矩阵，r表示艏摇角速率，s'为常数矩阵表示。
