[發明專利]一種基于欠信息下的多AUV分布式目標圍捕控制方法

有效

• 申請號: 202010051478.2
• 申請日: 2020-01-17
• 公開（公告）號: CN111176328B
• 公開（公告）日: 2021-04-27
• 發明（設計）人: 劉妹琴;施琳琳;鄭榮濠;張森林;樊臻
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

1.一種基于欠信息下的多AUV分布式目標圍捕控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，建立AUV運動學模型和動力學模型，并初始化系統狀態，包括以下子步驟：

1.1建立AUV的運動學模型，表達形式為

其中，下標i代表第i個AUV，i＝1,2,...,n，n為AUV的個數；[x_i,y_i]為第i個AUV在慣性坐標系下的坐標(x_i為橫坐標，y_i為縱坐標)；θ_i為第i個AUV在慣性坐標系下航向角；[u_i,ω_i]^T是運動學控制器輸入，u_i,ω_i分別代表第i個AUV設計的前進速度與首搖角速度；

1.2建立AUV的動力學模型，表達形式為

其中，m_i和分別為第i個AUV的質量和慣性矩陣；和分別為第i個AUV平動附加質量與轉動附加質量；和分別為第i個AUV平動粘性水動力系數與轉動粘性水動力系數；u_ri,ω_ri分別為第i個AUV的實際的前進速度與首搖角速度；F_i和Γ_i分別為第i個AUV的前向推力與轉艏力矩；[F_iΓ_i]^T為動力學系統的控制輸入，也正是本發明中最終設計的目標圍捕協同控制輸入；

步驟2，采用動態軌道半徑循環迭代方法，確定各AUV在目標圍捕任務中的循環軌道半徑，包括以下子步驟：

2.1定義第i個AUV的鄰居為第i+1個AUV，其中第n個AUV的鄰居為第1個AUV，整個多AUV系統的鄰居關系圖構成一個單向循環；

2.2定義r_i為第i個AUV在目標圍捕任務中的循環軌道半徑，在整個多AUV系統中，我們認為至少有一個AUV可以檢測到目標信息；

2.3如果第i個AUV可以探測到目標，令

r_i＝r₀ (3)

其中，r₀＞0為系統對能檢測到目標的AUV設定的循環軌道半徑；

2.4如果第i個AUV無法探測到目標，令

r_i＝r_i+1/c (4)

其中，r_i+1為第i+1個AUV目標圍捕任務中的循環軌道半徑，第i個AUV可以通過與鄰居第i+1個AUV間的局部通信獲得；c為常數，取值范圍為c∈(0,1)；

步驟3，利用AUV鄰居之間的相對位置信息以及能檢測到目標的AUV與目標之間的相對位置信息設計運動學控制器，包括以下子步驟：

3.1定義局部坐標系下第i個AUV和鄰居第i+1個AUV之間的相對位置和局部坐標系下第i個AUV和目標之間的相對位置分別為

其中，為旋轉矩陣；[x₀,y₀]^T為目標在慣性坐標系下的坐標(x₀為橫坐標，y₀為縱坐標)；定義ψ_i＝atan2(y_i+1-y₀,x_i+1-x₀)-atan2(y_i-y₀,x_i-x₀)，且ψ_i滿足ψ_i∈[0,2π)，其中，atan2函數為反正切函數；

3.2定義目標圍捕任務需要滿足的要求為

其中，i＝1,2,...n，為常數，r_i為第i個AUV目標圍捕任務中的循環軌道半徑，t為運動時間；

3.3設計多AUV系統的運動學控制器輸入為

其中，k_u＞0,k_ω＞0為運動學控制器參數；

3.4定義第i個AUV的狀態變量χ_i為

χ_i＝[u_i,ω_i,β_i]^T (9)

其中β_i＝θ_i+1-θ_i；式(9)的一階微分為

當時，式(10)可以表示為

對于整個系統的狀態變量為而言，當時，的唯一平衡狀態為

其中，

3.5設計控制參數k_u,k_ω，使得

因此，k_u,k_ω需要具體滿足的表達式為

步驟4，設計多AUV系統的動力學控制器，包括以下子步驟：

4.1定義動力學控制器的跟蹤誤差

式(15)的一階微分表達式為

其中，如式(10)所示；

4.2設計多AUV的動力學控制器，表達式為

其中，k＞0為控制器參數；

步驟5，利用步驟4設計的動力學控制器對AUV進行協同控制，實現欠信息下的目標圍捕任務。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟2中設計的動態軌道半徑循環迭代方法，是針對探測目標信息的動態變化，一旦目標探測信息發生改變，利用步驟2.2和步驟2.3進行循環迭代重新確定各個AUV的軌道半徑。