[发明专利]一种基于改进领航者虚拟结构法的多AUV编队控制方法

说明书

本发明属于多AUV编队控制技术领域，具体涉及一种基于改进领航者虚拟结构法的多AUV编队控制方法。本发明不仅有效的实现了路径规划，同时也有效的避开了环境中的障碍物。本发明通过对原有的领航者法和虚拟结构法的改进解决了虚拟结构控制法编队避障灵活性较差以及传统领航者法集中式控制的不足的问题。本发明根据AUV编队收缩度进行高效的避障策略选择；利用队形收缩解决虚拟结构控制法编队面对狭窄空间等环境避障灵活性较差的问题；同时提出一种动态切换领航者策略，在动态切换领航者法上引入启发式评价函数，作为选取新领航者的评判依据。本发明在提高刚性结构编队稳定性与灵活性的同时能够进行高效避障。

技术领域

本发明属于多AUV编队控制技术领域，具体涉及一种基于改进领航者虚拟结构法的多AUV编队控制方法。

背景技术

在海洋资源开发，海洋军事发展领域，水下机器人具有极为广阔的应用前景，近年来一直都是研究热点，各国对于水下机器人的研究也日趋深入。

水下机器人在传统载体上结合了多种智能控制技术理论，能够在水下完成信息采集、任务分配、路径规划、协同导航等任务。水下机器人的研发包括AUV载体设计、水下目标探测识别、AUV智能控制算法、高精度导航、多AUV编队运动与通讯等重要技术。

从上世纪70年代起，智能算法研究是水下机器人的主流研究方向，智能水下机器人能够克服复杂的水下环境进行自主运动规划。同时随着对水下环境研究的日趋深入，单一AUV已不能满足任务需求，更加复杂的任务需要多个AUV协同完成，包括任务分配、环境探测、编队运动、围捕等。多AUV系统拥有更好的环境信息获取能力，更稳定的运行机制以及更高的工作效率。水下机器人技术中，编队控制作为最核心的技术之一，一直都是研究重点。

现有的多AUV编队控制方法包括领航者法、分布式控制方法、虚拟结构法和人工势场法等。领航者法的核心思想是领航者进行路径规划，跟随者与其保持特定的运动状态，从而形成能够自主进行编队运动的智能系统。这种方法大大简化了编队问题，跟随者之间相互独立，只需要调整相应参数与领航者保持相应位置。整个系统的路径规划也可以归结为单一AUV的路径规划行为，以及为跟随者设计适合的跟踪运动控制器。领航者法是一种集中式控制方法，集中式控制的最大不足是当领导者因故障或算法陷入局部最值等原因停止运动时，整体编队活动也将停滞。分布式控制方法将运动行为分解为一系列子行为，子行为之间保持独立性，包括队形形成，避障，队形变换，围捕拦截等。各AUV根据通信反馈及环境状态，采取某种行为，通过各AUV所采取的行为的组合最终形成多AUV编队系统。此种方法使多AUV编队系统拥有极大的灵活性与实时性，但缺点是各AUV自主活动，导致系统的稳定性大大降低，同时各AUV的行为控制器的设计要考虑与成员间的协调避碰，路线占用等因素，在通信条件受限时实施困难。虚拟结构法的基本思想是将多AUV编队视为一个刚性结构，各AUV作为此刚性结构中的一个顶点。当进行编队运动时，AUV计算此刚性体的虚拟点位置，根据虚拟点跟踪控制器实现队形保持。虚拟结构法拥有较高的编队队形与运动轨迹控制精度，在此法基础上进行任务分配方法研究能够降低难度，减少实时计算工作量，同时将编队误差作为反馈信息能够进一步设计运动控制器。虚拟结构法的缺点是在复杂障碍物环境下，刚性结构难以保持，编队整体避障能力受限，队形易被破坏。人工势场法通过虚拟力场的构建，使编队内部成员利用引力保持编队队形，利用斥力相互避碰，设定合适的数值能够在一定程度上保持编队的稳定性。遇到复杂障碍物环境时，编队队形过度拉伸或挤压，常常会超过所设置势场参数的阈值，而导致编队避障失败。

通过对现有的多AUV编队控制研究方法的总结，当前AUV编队控制方法的发展并不局限于单一算法的改进，更倾向于多种控制方法共同使用，取长补短，使编队运动更加高效。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于改进领航者虚拟结构法的多AUV编队控制方法。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括以下步骤：