基于线性自抗扰技术的船舶编队控制算法研究

江锋　卞鸿巍

摘要：针对船舶编队控制问题， 首先设计了基于线性自抗扰LADRC的航迹控制器对航行中的船舶航迹进行控制。LADRC航迹控制器由线性扩张状态观测器LESO和比例微PD分控制环节组成。在此基础上，采用领航者-跟随者法建立了编队运动数学模型，采用LADRC航迹控制器进行船舶编队控制。仿真结果表明，本文方法能精确跟踪领航船分配的航迹指令完成编队队形保持。该方法响应速度快，超调量小，具有较强适应性和鲁棒性。

关键词：船舶编队 编队控制 线性自抗扰 队形保持

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）06-0000-00

近年来，由于航海导航、控制、通讯等技术的迅猛发展，编队控制在船舶运动控制领域引起了广泛关注[1-2]。国内外学者针对编队控制问题展开了大量的研究并提出了多种编队队形控制方法，主要包括基于行为法、虚拟结构法、分布式控制法、领航者法（L-F法）等 [3]。文献[4]针对无人机的“长机-僚机”编队建立了编队飞行的线性化数学模型，采用经典的PID控制技术设计了编队队形保持变换的控制器，实现了稳定地队形保持功能。但没有考虑到被控对象或外部环境的变化对控制器鲁棒性的影响。为提高编队队形控制器的稳定性，肖亚辉[5]等人设计了基于模糊PID的无人机编队控制器，实现了自适应控制。PID控制器的积分反馈会使闭环系统反应迟钝并产生震荡和稳态误差，同时微分环节对高频噪声具有放大作用。因此，系统容易受到传感器误差以及各类外部干扰的影响，导致控制器的性能大大降低。

本文借鉴自抗干扰LADRC技术的思想设计了船舶编队控制器。采用线性扩张状态观测器LESO将编队系统内外部扰动的总和作为状态量进行估计，它不需要其准确的数学模型，避免PID中积分环节的缺陷。以LESO反馈的误差量估计值作为PD控制器的输入来控制船舶航迹。同时建立了基于领航者法的船舶编队运动模型，采用本文的航机控制器实现了编队队形保持。

1 船舶编队运功模型

3 仿真实验

以单横队保持为例进行说明。船舶1、2、3的初始位置分别为（537，297）、（537，167.4）、（537，37.3），以船舶2为领航船，其航迹运动为X向以20m/s的速度匀速直线运动，Y向以ylc=x0+35*sin（xlc/100）形式运动。三艘船舶保持初始相对位置和方位航行。仿真结果如图2示。

通过对单横队保持队形保持航行仿真分析表明，基于单船航向航迹控制的线性自抗扰算法能很好地移植到船舶编队控制中去，完成领航船分配的航迹指令，从而完成船舶整体编队控制。

4 结语

建立了基于领航者法的船舶编队控制模型，应用基于单船控制的线性自抗扰算法能精确跟踪领航船分配的航迹指令。仿真验证结果表明可较好的完成船舶编队队形控制任务。

参考文献

[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.一种船队编队控制的backstepping 方法[J]. 控制与决策，2012，27（2）：300-303.

[4]邓婉，王新民，王晓燕等.无人机编队队形保持变换控制器设计[J]计算机仿真，2011，28（10）：73 -77.

[5]肖亚辉，王新民，王晓燕 等.无人机三维编队飞行模糊PID控制器设计[J]西北工业大学学报，2011，29（6）：834-838.