[发明专利]一种基于领航者和虚拟领航者的多AUV直线编队控制方法

说明书

本发明属于船舶运动控制领域，具体涉及一种基于领航者和虚拟领航者的多AUV直线编队控制方法。本发明包括如下步骤：(1)根据使命任务，实现多AUV的路径规划，获得领航者需跟随的路径(2)建立参考坐标系(3)建立如下AUV动力学模型(4)构建固定坐标系下的跟随者AUV的误差模型(5)设计AUV运动控制器。本发明提出了领航‑跟随法和虚拟领航‑跟随法相结合的编队控制策略，在多AUV组成的群体中，指定某个AUV为领航者，剩余的AUV作为它的跟随者，跟随者以期望的距离间隔跟随领航者的位置。通过反步法实现AUV路径跟踪控制，跟随者实时接收且只需接收领航者的纵向位姿信息，减少AUV在多种信息通讯时出现的混乱现象，增强了编队控制的稳定可靠性。

技术领域

本发明属于船舶运动控制领域，具体涉及一种基于领航者和虚拟领航者的多AUV直线编队控制方法。

背景技术

随着能源的枯竭，开发海洋也越来越迫切，所以各国都开始研究水下航行器代替人去探测海底资源，而同时，水下航行器在军事上也发挥着越来越重要的作用。于是如何开发利用自主水下航行器AUV成了各国的研究热点。而随着AUV的发展，单个AUV在控制与通讯方面能力不足，无法执行大范围，复杂环境下的任务，于是有不少学者开始研究多AUV来解决这些问题。

多AUV编队队形控制一般分为两步：首先确定各自主水下航行器的期望位置；然后通过控制器生成控制命令，驱动AUV以期望队形运动到期望位置。到目前为止，研究多AUV编队的方法主要有4种：分别为跟随领航者法、基于行为法、虚拟结构法和强化学习法。

本发明采用的是跟随领航者法与虚拟领航跟随法的结合，跟随领航者法的基本思想是：在多AUV组成的群体中，指定某个AUV为领航者，剩余的AUV作为它的跟随者，跟随者以期望的距离间隔跟随领航者的位置。根据领航者AUV与跟随者AUV之间的相对位置关系，可以形成不同的编队队形。并且跟随领航者法可以仅仅给定领航者AUV的行为或轨迹位置就可以控制整个AUV队形。

发明内容

本发明提出一种基于领航者和虚拟领航者相结合的多AUV的直线编队方法，减少AUV在多种信息通讯时出现的混乱现象，增强了编队控制的稳定可靠性。本发明主要包括如下步骤：

一种基于领航者和虚拟领航者的多AUV直线编队控制方法，具体包括如下步骤：

(1)根据使命任务，实现多AUV的路径规划，获得领航者需跟随的路径；

(2)建立参考坐标系：以步骤(1)中获取的路径的起点为路径坐标系的原点，记为0；以路径所在的直线为坐标轴的纵轴，记为X轴；垂直于路径且经过路径起点的直线为坐标轴的横轴，记为Y轴；AUV重心为G，速度向量为U_G，在固定坐标系下X轴和Y轴上投影为AUV受到的外力F在固定坐标系下X轴和Y轴上的投影为F_X，F_Y；受到的外力矩为T；运动坐标系的原点取在AUV重心G处；纵轴取在AUV纵中剖面内，指向船首，记为x轴；横轴与AUV纵中剖面垂直，指向右舷，记为y轴。速度向量为U_G，在固定坐标系下x轴和y轴上投影为u，v；AUV受到的外力F在固定坐标系下x轴和y轴上的投影为F_x，F_y；受到的外力矩为T；因外力矩而获得的角速度为r；

(3)建立如下AUV动力学模型：

在固定坐标系中，AUV的动力学模型为：

式中：φ为AUV速度与固定坐标系的夹角；ψ为X轴与运动坐标系的夹角，V_t为AUV的合速度，且假设u_G恒不为0，定义β为侧滑角，β＝φ-ψ＝tan^-1(v/u)；

在运动坐标系中，水体为理想流体时，AUV动力学模型为：