本发明涉及水面无人艇，具体而言，尤其涉及一种基于全格式无模型自适应的多无人艇快速包含控制方法。
背景技术：
1、近年来，随着科学技术的不断发展，无人艇(unmanned surface vehicles)以安全性高、成本低、可控性强等优势逐渐被人们所熟知，被广泛应用于海洋监测、海上救援、资源探索等科学领域。但是，usv仍然存在着很多问题，例如未知的外部扰动对控制效果的干扰，复杂环境下的路径规划，远距离航行时能源的消耗等等，这些问题的存在，使得部分条件下所需的无人艇仍然处于研究当中。目前为止，人们所使用的usv还是会存在抗干扰能力较弱，对模型依赖程度较高等问题。单艇如此，多无人艇存在上述问题更加突出。因此，为了更好的控制usv，亟需对uvs做进一步的研究。
2、随着计算机、电气学、控制学、生物学的深入发展，科学家们从动物界中发现，世界上存在很多中动物都存在着集群活动，比如蚂蚁搬家、大雁迁徙、狼群捕猎等等。可以发现，单个动物完成不了的任务，动物都会通过沟通交流等方式，组织多个动物进行复杂的集群活动，从而攻克难以完成的任务。所以，科学家们在多无人艇领域提出了协同控制，协同控制主要集中在无领导者或者单个领导者问题上，在多个领导者问题上研究相对较少。然而，由于实际情况日益复杂，无领导者或单个领导者已经难以满足部分特殊需求，因此，存在多个领导者的协同控制孕育而生。存在多个领导者的协同控制也称为包含控制，其中设计分布式控制器，跟随者通过拓扑进行传递信息，使得所有跟随者必须进入且保持在由领导者所围成的凸包当中。
3、如今，有很多学者在多无人艇领域发表了关于包含控制算法的设计方案，比如提出了一种模块化设计方案，从而有效地开发了估计模块、控制器模块和路径更新模块，以实现包含控制；在采样通信条件下，进一步设计了包含局部滑模层和分布式协同层的分层滑模控制器；通过设计路径操作变量，开发了基于分布式制导的包含控制器；通过采用辅助变量法，从而使usv中相应的摇摆动力学可以被调节到一个有限的区域，从而设计出更简单的包含控制器；针对存在障碍物时的包含控制问题，通过设计势函数，设计出了具有避免碰撞能力的有效的包含控制方法；利用事件触发控制策略和有限时间控制技术，提出了一种事件触发有限时间包含控制方法，以提高跟踪速度，减少通信负担。此外，控制算法收敛的快速性也受到关注，比如提出了一种新的多个滑动曲面，利用非光滑控制定律，可以在快速有限的时间内将滑动变量驱动到滑动表面上；通过设置高阶快速有限时间包含控制协议，实现了多个智能体对凸包的控制，并解决了受外部干扰的高阶动力学的快速包含问题。事实上，许多系统的数学模型和系统顺序等模型信息难以获取，特别是对于非线性系统，如usv系统，它们是强耦合、高度非线性和易受扰动的，从而导致在实践中难以获得准确的数学模型和系统顺序。幸运的是，无模型自适应控制方法不需要识别任何未知的非线性模型，只依赖于基于系统输入/输出数据的伪雅可比矩阵，且因其鲁棒性强，稳定性好，不需要复杂的人工控制器参数整定等优点。
4、然而，现有关于多usv的包含控制的方法并不是很多。虽然现有的分布式无模型自适应控制方法可以用于处理共识跟踪控制任务，但它不能直接扩展到更复杂的包含控制情况，所以研究基于全格式无模型自适应的多无人艇包含控制方法是很有必要的。
技术实现思路
1、根据上述提出的技术问题，提供一种基于全格式无模型自适应的多无人艇快速包含控制方法。本发明主要使用系统输入/输出数据来设计分布式包含控制器，以及采用扰动观测器来观测多无人艇系统整体的扰动和耦合，最后将观测结果补偿到控制器中，从而提高多无人艇系统的稳定性和抗干扰性。
2、本发明采用的技术手段如下：
3、一种基于全格式无模型自适应的多无人艇快速包含控制方法，包括：
4、s1、构建无人船运动学模型；
5、s2、基于构建的无人船运动学模型，设计基于全格式无模型自适应控制模型，并通过添加观测器，将观测结果进行补偿；
6、s3、基于设计的全格式无模型自适应控制模型，引入包含控制技术；
7、s4、将全格式无模型自适应控制模型和包含控制技术相结合，设计多无人艇系统的分布式包含控制器，实现所有跟随艇最终进入并保持在由领导者所形成的凸包中运动。
8、进一步地，步骤s1中，构建的无人船运动学模型，具体如下：
9、
10、其中，[xi,yi]∈r2代表第i个无人艇在地球坐标系的位置，代表无人艇航向角，υi＝[ui,vi,ri]t∈r3分别表示在船体坐标系下无人艇的前向、横向速度和航向角速度；mi,ci(υi),di(υi)∈r3×3表示未知矩阵；gi(pi)∈r3表示重力矢量，浮力矢量和力矩矢量；τi＝[τiu,τiυ,τir]t∈r3是控制输入，τid＝[τidu,τidυ,τidr]t∈r3是干扰向量。
11、进一步地，步骤s2，具体包括：
12、s21、将构建的无人船运动学模型进行离散化处理，如下：
13、
14、其中，ts表示采样时间；
15、s22、使用非参数动态线性化策略，将经过离散化处理后的无人船运动学模型中的第i个无人艇的动力学等价地转换为：
16、
17、其中，ψj,i(k)∈r3×3，
18、s23、定义将步骤s22中的公式改写为：
19、δυi(k+1)＝ψi(k)δti(k)
20、其中，
21、s24、根据无模型自适应技术，计算相应ψi(k)的更新律如下：
22、
23、
24、其中，是ψi(k)的估计值，表示任意小的常数，βf表示正阶跃因子，μf表示正常数；
25、s25、令将步骤s23中的公式进一步改写为：
26、
27、其中，表示总的数据模型误差和耦合；
28、s26、添加观测器，如下：
29、
30、其中，li＝diag{li,1,li,2,li,3}表示一个对角线的步长矩阵，α表示奇整数的比值，并满足α∈(0,1)，i＝1,2,...,m；
31、s27、基于添加的观测器，将步骤s21中的公式进行改写，如下：
32、
33、其中，
34、s28、结合步骤s22至步骤s27中的公式，设计第i个usv的基于全格式无模型自适应控制模型，如下：
35、
36、进一步地，步骤s3，具体包括：
37、s31、定义动态有向拓扑图中，有m个跟随者，n-m个领导者；
38、s32、定义分布式包含误差，如下：
39、
40、其中，i＝1,2...,m，pi(k)和φj(k)是k时刻第i个跟随者和第j个领导者的位置。
41、进一步地，步骤s4，具体包括：
42、在步骤s28中设计的第i个usv的基于全格式无模型自适应控制模型和步骤s32中定义的分布式包含误差的基础上，设计第i个usv的分布式包含控制器，如下：
43、
44、其中，λf是正的权重系数，ρi是步长序列。
45、进一步地，通过调整参数κv和κτ，设计多种第i个usv的分布式包含控制器，具体如下：
46、调整参数κv＝0和κτ＝1，设计基于紧格式的无模型自适应包含控制器，如下：
47、
48、调整参数κv＝0和κτ＝2，设计基于偏格式的无模型自适应包含控制器，如下：
49、
50、调整参数κv＝2和κτ＝1，设计基于全格式的无模型自适应包含控制器，如下：
51、
52、其中，表示由干扰、耦合和期望轨迹的变化所引起的补偿。
53、较现有技术相比，本发明具有以下优点：
54、1、本发明提供的基于全格式无模型自适应的多无人艇快速包含控制方法，设计出的控制器均摆脱了对无人艇数学模型的依赖，仅仅采用无人艇系统的输入/输出数据即可得到。
55、2、本发明提供的基于全格式无模型自适应的多无人艇快速包含控制方法，通过加入观测器，对系统的外部扰动和内部耦合进行观测，将观测结果补偿到分布式控制器中，使得系统抗干扰能力更强。
56、3、本发明提供的基于全格式无模型自适应的多无人艇快速包含控制方法，采用全格式无模型自适应包含控制的系统，不仅提高了系统的稳定性和鲁棒性，其抗干扰能力也有所提高。
57、基于上述理由本发明可在水面无人艇等领域广泛推广。
1.一种基于全格式无模型自适应的多无人艇快速包含控制方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于全格式无模型自适应的多无人艇快速包含控制方法，其特征在于，步骤s1中，构建的无人船运动学模型，具体如下：
3.根据权利要求1所述的一种基于全格式无模型自适应的多无人艇快速包含控制方法，其特征在于，步骤s2，具体包括：
4.根据权利要求1所述的一种基于全格式无模型自适应的多无人艇快速包含控制方法，其特征在于，步骤s3，具体包括：
5.根据权利要求1所述的一种基于全格式无模型自适应的多无人艇快速包含控制方法，其特征在于，步骤s4，具体包括：
6.根据权利要求5所述的一种基于全格式无模型自适应的多无人艇快速包含控制方法，其特征在于，通过调整参数κv和κτ，设计多种第i个usv的分布式包含控制器，具体如下：
