[發(fā)明專利]基于不確定海流擾動下的多AUV分布式協(xié)同跟蹤控制方法

有效

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• 申請日: 2018-02-11
• 公開（公告）號: CN108303891B
• 公開（公告）日: 2019-08-13
• 發(fā)明（設計）人: 劉妹琴;施琳琳;張森林
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 黃歡娣;邱啟旺

基于不確定海流擾動下的多AUV分布式協(xié)同跟蹤控制方法，包括：建立AUV運動學模型以及帶有不確定海流擾動下的動力學模型，初始化系統(tǒng)狀態(tài)、采樣時間以及控制參數(shù)；設計領導者AUV基于Serret?Frenet方法的路徑跟蹤控制器；提出了跟隨者AUV分布式編隊的運動學控制器，使其更適合水下通訊環(huán)境；針對領導者和跟隨者設計的運動學控制器進行了輸入?狀態(tài)穩(wěn)定性分析，得多AUV系統(tǒng)形成分布式運動編隊控制；提出了含有不確定海流擾動補償項的多AUV系統(tǒng)動力學控制器。本發(fā)明提供一種基于多AUV分布式編隊控制平臺的能夠有效減少控制器信息量的協(xié)同跟蹤控制方法，同時利用神經(jīng)網(wǎng)絡方法避免了不確定海流擾動帶來的影響，為海洋災害預警預報、海洋環(huán)境保障奠定關鍵基礎。

技術領域

本發(fā)明涉及多AUV分布式編隊控制領域，尤其涉及一種基于不確定海流擾動下的多AUV分布式協(xié)同控制方法。

背景技術

隨著當前世界人口劇增、環(huán)境惡化、陸地資源日趨枯竭，人類越來越認識到開發(fā)利用豐富的海洋資源是人類社會生存和持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎和環(huán)境條件。海平面以下壓力巨大，作業(yè)環(huán)境惡劣，人們需要借助自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)來進行海洋探測、開發(fā)以及完成各類水下作業(yè)。AUV的主要特點就是它們可以在復雜的海洋環(huán)境中，無需人類干預自主的完成導航、避障、發(fā)現(xiàn)目標以及完成作業(yè)等一系列任務。因此，對AUV的研究不僅有重要的經(jīng)濟意義，在軍事領域也有迫切需要。

目前，各海洋大國的許多大學和研究機構都投入了大量的人力和物力，用于研究和開發(fā)自主式水下航行器。隨著海洋作業(yè)復雜性的不斷提高，由于單個AUV在工作范圍、工作時間、測量能力等方面的局限性，多AUV協(xié)同作業(yè)具有更好的應用前景。不同于陸地與空中的航行器編隊，多AUV在編隊控制中需要克服一系列的問題，如水下定位不精確，測量及通訊距離有限，AUV動力學模型復雜等。這些問題不僅影響著編隊控制的性能，同時還影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此，需要設計針對水下通訊環(huán)境的多AUV編隊控制器。除此之外，多AUV在水下過程中，必然遇到具有不確定因素的海流擾動，在海流干擾存在的和進行曲線路徑跟蹤時會嚴重影響路徑跟蹤控制性能。現(xiàn)如今，多AUV協(xié)同控制還有很大的研究空間等待著科研人員的探索，其中路徑跟蹤與編隊控制是目前的研究熱點之一，也是體現(xiàn)AUV智能性的重要標志之一。

基于這一認識，本發(fā)明建立了一種基于不確定海流擾動下的多AUV分布式協(xié)同跟蹤控制方法。該方法同時考慮了AUV的運動學模型和動力學模型，并考慮了水下不確定海流擾動的影響，利用領導者-跟隨者控制策略，將整個多AUV系統(tǒng)平臺分為兩個部分：領導者已知運動路線參數(shù)，基于Serent-Frenet坐標系實現(xiàn)高精度的路徑跟蹤控制；跟隨者利用和鄰居的測量信息與通訊信息(即相對信息)形成具有一定隊形的運動編隊，從而提高了多AUV分布式協(xié)同跟蹤能力。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有的多AUV系統(tǒng)的水下定位不精確，測量及通訊距離有限等不足，本發(fā)明提供一種基于不確定海流擾動下的多AUV分布式協(xié)同跟蹤控制方法，主要利用了AUV之間的相對位置信息并簡化了控制器所需的信息量，實現(xiàn)了存在海流擾動的情況下的多AUV分布式協(xié)同跟蹤控制，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為海洋災害預警預報、海洋環(huán)境保障等提供新方法。

為了解決上述技術問題提出的技術方案如下：

基于不確定海流擾動下的多AUV分布式協(xié)同跟蹤控制方法，包括以下步驟：基于不確定海流擾動下的多AUV分布式協(xié)同跟蹤控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，建立AUV運動學模型以及帶有不確定海流擾動下的動力學模型，初始化系統(tǒng)狀態(tài)、采樣時間以及控制參數(shù)；

1.1AUV的運動學模型表達形式為