[發(fā)明專利]一種基于領(lǐng)航者和虛擬領(lǐng)航者的多AUV直線編隊(duì)控制方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810507374.0
• 申請(qǐng)日: 2018-05-24
• 公開（公告）號(hào): CN108549394A
• 公開（公告）日: 2018-09-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李娟;袁銳錕;張建新;王宏健;陳興華;杜雪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/06
• 分類號(hào): G05D1/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明屬于船舶運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于領(lǐng)航者和虛擬領(lǐng)航者的多AUV直線編隊(duì)控制方法。本發(fā)明包括如下步驟：(1)根據(jù)使命任務(wù)，實(shí)現(xiàn)多AUV的路徑規(guī)劃，獲得領(lǐng)航者需跟隨的路徑(2)建立參考坐標(biāo)系(3)建立如下AUV動(dòng)力學(xué)模型(4)構(gòu)建固定坐標(biāo)系下的跟隨者AUV的誤差模型(5)設(shè)計(jì)AUV運(yùn)動(dòng)控制器。本發(fā)明提出了領(lǐng)航?跟隨法和虛擬領(lǐng)航?跟隨法相結(jié)合的編隊(duì)控制策略，在多AUV組成的群體中，指定某個(gè)AUV為領(lǐng)航者，剩余的AUV作為它的跟隨者，跟隨者以期望的距離間隔跟隨領(lǐng)航者的位置。通過反步法實(shí)現(xiàn)AUV路徑跟蹤控制，跟隨者實(shí)時(shí)接收且只需接收領(lǐng)航者的縱向位姿信息，減少AUV在多種信息通訊時(shí)出現(xiàn)的混亂現(xiàn)象，增強(qiáng)了編隊(duì)控制的穩(wěn)定可靠性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于船舶運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于領(lǐng)航者和虛擬領(lǐng)航者的多AUV直線編隊(duì)控制方法。

背景技術(shù)

隨著能源的枯竭，開發(fā)海洋也越來越迫切，所以各國都開始研究水下航行器代替人去探測海底資源，而同時(shí)，水下航行器在軍事上也發(fā)揮著越來越重要的作用。于是如何開發(fā)利用自主水下航行器AUV成了各國的研究熱點(diǎn)。而隨著AUV的發(fā)展，單個(gè)AUV在控制與通訊方面能力不足，無法執(zhí)行大范圍，復(fù)雜環(huán)境下的任務(wù)，于是有不少學(xué)者開始研究多AUV來解決這些問題。

多AUV編隊(duì)隊(duì)形控制一般分為兩步：首先確定各自主水下航行器的期望位置；然后通過控制器生成控制命令，驅(qū)動(dòng)AUV以期望隊(duì)形運(yùn)動(dòng)到期望位置。到目前為止，研究多AUV編隊(duì)的方法主要有4種：分別為跟隨領(lǐng)航者法、基于行為法、虛擬結(jié)構(gòu)法和強(qiáng)化學(xué)習(xí)法。

本發(fā)明采用的是跟隨領(lǐng)航者法與虛擬領(lǐng)航跟隨法的結(jié)合，跟隨領(lǐng)航者法的基本思想是：在多AUV組成的群體中，指定某個(gè)AUV為領(lǐng)航者，剩余的AUV作為它的跟隨者，跟隨者以期望的距離間隔跟隨領(lǐng)航者的位置。根據(jù)領(lǐng)航者AUV與跟隨者AUV之間的相對(duì)位置關(guān)系，可以形成不同的編隊(duì)隊(duì)形。并且跟隨領(lǐng)航者法可以僅僅給定領(lǐng)航者AUV的行為或軌跡位置就可以控制整個(gè)AUV隊(duì)形。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種基于領(lǐng)航者和虛擬領(lǐng)航者相結(jié)合的多AUV的直線編隊(duì)方法，減少AUV在多種信息通訊時(shí)出現(xiàn)的混亂現(xiàn)象，增強(qiáng)了編隊(duì)控制的穩(wěn)定可靠性。本發(fā)明主要包括如下步驟：

一種基于領(lǐng)航者和虛擬領(lǐng)航者的多AUV直線編隊(duì)控制方法，具體包括如下步驟：

(1)根據(jù)使命任務(wù)，實(shí)現(xiàn)多AUV的路徑規(guī)劃，獲得領(lǐng)航者需跟隨的路徑；

(2)建立參考坐標(biāo)系：以步驟(1)中獲取的路徑的起點(diǎn)為路徑坐標(biāo)系的原點(diǎn)，記為0；以路徑所在的直線為坐標(biāo)軸的縱軸，記為X軸；垂直于路徑且經(jīng)過路徑起點(diǎn)的直線為坐標(biāo)軸的橫軸，記為Y軸；AUV重心為G，速度向量為U_G，在固定坐標(biāo)系下X軸和Y軸上投影為AUV受到的外力F在固定坐標(biāo)系下X軸和Y軸上的投影為F_X，F(xiàn)_Y；受到的外力矩為T；運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的原點(diǎn)取在AUV重心G處；縱軸取在AUV縱中剖面內(nèi)，指向船首，記為x軸；橫軸與AUV縱中剖面垂直，指向右舷，記為y軸。速度向量為U_G，在固定坐標(biāo)系下x軸和y軸上投影為u，v；AUV受到的外力F在固定坐標(biāo)系下x軸和y軸上的投影為F_x，F(xiàn)_y；受到的外力矩為T；因外力矩而獲得的角速度為r；

(3)建立如下AUV動(dòng)力學(xué)模型：

在固定坐標(biāo)系中，AUV的動(dòng)力學(xué)模型為：

式中：φ為AUV速度與固定坐標(biāo)系的夾角；ψ為X軸與運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的夾角，V_t為AUV的合速度，且假設(shè)u_G恒不為0，定義β為側(cè)滑角，β＝φ-ψ＝tan^-1(v/u)；

在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中，水體為理想流體時(shí)，AUV動(dòng)力學(xué)模型為：