[發(fā)明專利]基于數(shù)據(jù)驅(qū)動狀態(tài)預估器的AUV通信延時主動補償方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110790129.7
• 申請日: 2021-07-13
• 公開（公告）號: CN113419426B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 杜佳璐;李健
• 申請（專利權(quán)）人: 大連海事大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 魯保良;李洪福

本發(fā)明公開了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動預估器的多AUV通信延時主動補償方法，包括以下步驟：建立自回歸模型；確定自回歸模型的待定階數(shù)；設(shè)計參數(shù)向量的在線更新律；設(shè)計第j個AUV的數(shù)據(jù)驅(qū)動狀態(tài)預估器；實現(xiàn)通信延時的主動補償。本發(fā)明通過設(shè)計狀態(tài)預估器在線實時預估鄰居AUV的當前實際運動狀態(tài)，并將預估值應(yīng)用于編隊控制律設(shè)計中，可以實現(xiàn)AUV通信延時的主動補償。本發(fā)明提出的多AUV間通信延時的主動補償方法對AUV編隊控制律的設(shè)計方法沒有限制，可靈活應(yīng)用各種先進編隊控制理論方法。本發(fā)明提出的多AUV間通信延時的主動補償方法是數(shù)據(jù)驅(qū)動的，不依賴于AUV運動數(shù)學模型，因此，不要求AUV運動數(shù)學模型參數(shù)及結(jié)構(gòu)的先驗知識。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水下機器人領(lǐng)域，特別是一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動狀態(tài)預估器的多自主式水下機器人(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)通信延時主動補償方法。

背景技術(shù)

AUV在海洋資源開發(fā)利用、海底地形測繪、近海防御和軍事偵察等民事和軍事領(lǐng)域扮演重要的角色。對于一些復雜海洋作業(yè)任務(wù)，如大范圍海底地貌勘測和水下多目標打擊等，單個AUV由于可攜帶負載、航程、航速等方面的限制，難以滿足作業(yè)要求，應(yīng)用多AUV搭載不同設(shè)備，并建立編隊運動控制機制，使多AUV進行協(xié)同合作，能夠更高效且高質(zhì)量地完成任務(wù)。AUV的信息交互是AUV實現(xiàn)編隊的前提，在水下AUV之間一般是依靠水聲通信來進行信息傳輸，由于水聲通信的傳播速度低，導致AUV之間存在通信延時，如果在AUV編隊控制中不處理通信延時問題，會使得AUV編隊控制的精度降低，甚至無法實現(xiàn)AUV編隊。因此，研究AUV編隊控制中通信延時的處理方法具有重要的現(xiàn)實意義，可為多AUV協(xié)同進行海洋作業(yè)提供保障。

華中科技大學楊波等人在《華中科技大學學報》2009年第2期上發(fā)表題為“具有通信約束的分布式水下航行器群編隊控制”，應(yīng)用反饋線性化方法將AUV非線性運動數(shù)學模型線性化，結(jié)合一致性算法設(shè)計了通信延時下的AUV編隊控制律，基于Lyapunov-Krosovskii函數(shù)和線性矩陣不等式給出了通信延時下使AUV編隊閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定的AUV編隊控制律設(shè)計參數(shù)的范圍，從而實現(xiàn)通信延時下AUV編隊控制。西北工業(yè)大學閆偉等人在《火力指揮控制》2011年第6期上發(fā)表題為“通信延時下欠驅(qū)動自主水下航行器編隊控制”的論文，將多AUV編隊問題轉(zhuǎn)變?yōu)槊總€AUV的路徑跟蹤問題，再應(yīng)用一致性算法設(shè)計了基于考慮通信延時的路徑參數(shù)的多AUV同步控制律，并基于分布式一致性算法穩(wěn)定性理論給出了使得多AUV同步控制律的設(shè)計參數(shù)范圍，從而實現(xiàn)通信延時下多AUV的編隊。然而，上述文獻中，所設(shè)計的AUV編隊控制律僅僅通過理論分析給出了通信延時下實現(xiàn)AUV編隊的充分條件，且均利用了AUV延時的運動狀態(tài)信息，而沒有去處理通信延時問題，僅是適應(yīng)了存在通信延時的情況；此外，由于應(yīng)用了一致性算法，使得AUV編隊控制律的結(jié)構(gòu)固定，無法進一步與其它先進控制理論方法結(jié)合，改善控制效果。

中國發(fā)明專利CN108594845A公開了一種通信限制下基于預測控制的多AUV編隊方法，首先基于逆推方法設(shè)計AUV協(xié)同路徑跟蹤控制律，然后引入?yún)f(xié)同跟蹤誤差預測模塊，來處理AUV通信延時的影響。然而，此專利要求AUV運動數(shù)學模型參數(shù)是精確已知的。

發(fā)明內(nèi)容

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明要設(shè)計一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動狀態(tài)預估器的多AUV通信延時主動補償方法，從根本上解決AUV運動數(shù)學模型參數(shù)未知情況下的多AUV間的通信延時問題，從而實現(xiàn)存在通信延時情況的AUV編隊控制。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動預估器的多AUV通信延時主動補償方法，所述的多AUV包括N個AUV，定義第j個AUV當前的實際運動狀態(tài)為X_j(t)；所述的通信延時表示為T_ij，在當前時刻，第i個AUV接收到的其某一鄰居AUV即第j個AUV的存在延時的運動狀態(tài)為X_j(t-T_ij)，i＝1,2,…,N，j＝1,2,…,N；所述的主動補償方法包括以下步驟：

A、建立X_j(t-T_ij)的自回歸模型