基于線性自抗擾技術的船舶編隊控制算法研究

江鋒　卞鴻巍

摘要：針對船舶編隊控制問題， 首先設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觀測器LESO和比例微PD分控制環節組成。在此基礎上，采用領航者-跟隨者法建立了編隊運動數學模型，采用LADRC航跡控制器進行船舶編隊控制。仿真結果表明，本文方法能精確跟蹤領航船分配的航跡指令完成編隊隊形保持。該方法響應速度快，超調量小，具有較強適應性和魯棒性。

關鍵詞：船舶編隊 編隊控制 線性自抗擾 隊形保持

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

近年來，由于航海導航、控制、通訊等技術的迅猛發展，編隊控制在船舶運動控制領域引起了廣泛關注[1-2]。國內外學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、虛擬結構法、分布式控制法、領航者法（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學模型，采用經典的PID控制技術設計了編隊隊形保持變換的控制器，實現了穩定地隊形保持功能。但沒有考慮到被控對象或外部環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定性，肖亞輝[5]等人設計了基于模糊PID的無人機編隊控制器，實現了自適應控制。PID控制器的積分反饋會使閉環系統反應遲鈍并產生震蕩和穩態誤差，同時微分環節對高頻噪聲具有放大作用。因此，系統容易受到傳感器誤差以及各類外部干擾的影響，導致控制器的性能大大降低。

本文借鑒自抗干擾LADRC技術的思想設計了船舶編隊控制器。采用線性擴張狀態觀測器LESO將編隊系統內外部擾動的總和作為狀態量進行估計，它不需要其準確的數學模型，避免PID中積分環節的缺陷。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。同時建立了基于領航者法的船舶編隊運動模型，采用本文的航機控制器實現了編隊隊形保持。

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，完成領航船分配的航跡指令，從而完成船舶整體編隊控制。

4 結語

建立了基于領航者法的船舶編隊控制模型，應用基于單船控制的線性自抗擾算法能精確跟蹤領航船分配的航跡指令。仿真驗證結果表明可較好的完成船舶編隊隊形控制任務。

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控制器設計[J]西北工業大學學報，2011，29（6）：834-838.