[發明專利]基于分層分布式模型預測控制的AUV編隊協同控制方法

有效

• 申請號: 201611163767.1
• 申請日: 2016-12-16
• 公開（公告）號: CN106773689B
• 公開（公告）日: 2019-08-13
• 發明（設計）人: 李慧平;范真元;王婉青
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;G05D1/10
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 劉新瓊

本發明涉及一種AUV編隊的分層分布式模型預測控制協同策略。通過分析編隊之間的運動學特性和動力學特性，建立上層和下層串聯結構的分層控制體系結構：設計分布式模型預測控制算法實現多AUV上層系統的協同控制，設計非線性模型預測控制算法實現AUV下層系統的跟蹤控制。最后串聯實現在整個AUV編隊的協同控制，達到預定多路徑規劃。

技術領域

本發明涉及控制系統領域，具體涉及使用模型控制算法在分布式框架下實現編隊協同控制的一種新型方法。

背景技術

近年來，隨著多水下自主航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)技術在深海資源探測、海底繪圖、協同護航、海洋搜救等方面應用需求的不斷增加，對多AUV協同控制的研究，特別是在集群、合作、跟蹤和編隊等方面得到了快速的發展。AUV編隊協同控制指多個AUV在執行任務的過程中，適應實際環境的約束，達到保持某種規定隊形作業的一種控制技術。這種控制技術可以完成復雜任務的分布化：將各項任務分散到大量低成本，功能單一的子AUV中，通過各個子AUV系統之間的協作來完成原本復雜的任務。編隊協同技術對提高多AUV控制效率、節約系統成本和保證系統可靠性也具有重要的意義。

模型預測控制(Model predictive control,MPC)是近年來廣泛研究的一種反饋控制策略，是一種除PID控制算法以外，工業界應用最多的一種新型高級控制方法。這個算法是一種基于模型的閉環優化控制策略，其算法具有控制效果好、魯棒性強等優點，可以有效地克服過程的不確定性、非線性和耦合性，并能方便的處理被控變量和操縱變量中的各種約束。模型預測控制的機理可以描述為：在每一采樣時刻，根據獲取系統當前的狀態和輸入信息，在線求解一個有限時域開環優化問題，并且將得到的控制序列的第一個元素作用于系統的控制對象，在下一采樣時刻，重復上述過程，不斷用新的預測值刷新優化問題并求得最新解。隨著計算機計算性能的不斷提升，模型預測控制的實時性變的更強，具有應用到AUV控制的廣泛前景。

AUV編隊控制主要解決AUV群組在某一設定速度下，并且沿著一個期望的多路徑編隊運動問題。這個控制問題主要可以分為個體的路徑跟蹤和不同個體之間實現協同控制兩個問題。對于單個AUV的路徑跟蹤問題在許多文獻中都被研究。如Breivik和Fossen在研究中考慮了欠驅動三自由度的單個航行器，提出其控制策略，并且在模型仿真和試驗中均得到驗證。Fredriksen等人同樣提出了基于Line-of-sight(LOS)導引的控制策略，證明了穩定性，并在后來一個實驗中也證實了該理論成果。對多AUV協同控制方面的研究，Skjetne等人在全驅動的航行器的研究中提出了一種集成編隊控制策略的操縱控制方法。Pascoal等人對一種全驅動的水下航行器的平面運動問題，提出了分散編隊控制思想。這種控制策略是將解耦控制問題的思想應用于個體的路徑跟蹤及不同個體信息協同中。Scattolini中研究了一種被動的同步路徑跟蹤控制方法。Lapierre等人考慮兩個欠驅動水下航行器沿著平行平面路徑，并且保持一個恒定距離的控制問題，提出了一種leader-follower控制策略。

分布式控制策略相比之前學者研究的集中式控制策略能夠減少通信和計算成本，提高系統的控制性能；對于控制系統采用分層結構可以較少系統的優化頻率，降低優化次數，而且更加便于實際工程的應用；模型預測算法控制率是一種先進的控制算法，相比其他算法具有顯示地處理物理約束和優化軌跡的優勢。比如在舵機性能和輸入受限的實際情況。

發明內容

要解決的技術問題

為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種基于分層分布式模型預測控制的AUV編隊協同控制方法。

技術方案