[发明专利]一种水下滑翔机三维协同路径跟踪控制系统

说明书

本发明公开了一种水下滑翔机三维协同路径跟踪控制系统，包括路径跟踪制导模块用于获取水下滑翔机的位置、航向、速度以及给定路径信息，计算给定纵向速度、纵倾角速度、艏向角速度以及纵向跟踪误差；协同模块用于获取纵向跟踪误差和邻居水下滑翔机的路径参数信息，计算协同路径参数信息；预估器模块用于计算总速度误差、纵荡角速度误差与艏摇角速度误差的估计值；动力学控制模块用于计算水下滑翔机在纵向、纵摇以及艏摇方向运动的控制参数；通信网络用于建立水下滑翔机之间进行信息传递的通信结构。本发明适用于多水下滑翔机，采用模块化设计，降低了控制系统结构的复杂性、减少了计算负荷、易于工程实现。

技术领域

本发明涉及水下滑翔机控制领域，尤其涉及一种水下滑翔机三维协同路径跟踪控制系统。

背景技术

自从1974年A.Baz提出水下滑翔机的概念以来，不同性能优异的水下滑翔机已经被研制出来。作为一种新型自主式海洋观测平台，水下滑翔机依靠浮力改变和姿态调节实现滑翔运动，其能量消耗低，续航能力强，噪音极低，适于重复使用和大量投放，已经广泛应用于预警探测、反潜侦察、海洋观测、资源探测、搜救打捞等军事和民用领域，海洋观测快速发展的实际需求也大大促进了AUG集群自主协同理论与技术的蓬勃发展。

但现有的研究成果存在以下问题：

第一，现有水下滑翔机路径跟踪控制方法大多适用于单个海洋航行器，然而随着无人水下机器人技术的发展和日渐成熟，单台水下滑翔机已不能满足发展需求，且其观测或探测功能相对单一，单位时间的作业范围非常有限。

第二，现有水下滑翔机协同路径跟踪问题的研究成果中大多为二维平面或者纵平面的协同路径跟踪，无法满足水下滑翔机集群在水下三维立体空间滑翔作业的实际需求，目前国内外在水下航行器集群三维空间协同路径跟踪控制方面也鲜有研究。

第三，现有水下滑翔机在实际工作时存在模型不确定性、未知环境扰动和输入约束饱和的路径跟踪控制问题，使得控制精度大大降低，无法满足预期要求。

发明内容

本发明提供一种水下滑翔机三维协同路径跟踪控制系统，以克服上述技术问题。

一种水下滑翔机三维协同路径跟踪控制系统，其特征在于，包括路径跟踪制导模块、协同模块、预估器模块、动力学控制模块、通信网络、水下滑翔机，

路径跟踪制导模块用于获取水下滑翔机的位置、航向、速度以及给定路径信息，计算水下滑翔机的给定纵向速度、纵倾角速度、艏向角速度以及纵向跟踪误差；

协同模块用于获取水下滑翔机的纵向跟踪误差和邻居水下滑翔机的路径参数信息，计算水下滑翔机的协同路径参数信息；

预估器模块用于获取给定纵向速度、纵倾角速度、艏向角速度，计算总速度误差、纵荡角速度误差与艏摇角速度误差的估计值；

动力学控制模块用于获取给定纵向速度、纵倾角速度、艏向角速度，总速度误差、纵荡角速度误差与艏摇角速度误差的估计值，计算水下滑翔机在纵向、纵摇以及艏摇方向运动的控制参数；

通信网络用于建立水下滑翔机之间进行信息传递的通信结构；

路径跟踪制导模块包括三个输入端，其中两个输入端分别与水下滑翔机的输出端、协同模块的一个输出端相连，第三个输入端为给定的参考路径信号；路径跟踪制导模块的两个输出端分别与协同模块的输入端、动力学控制模块的一个输入端相连；

协同模块的两个输入端分别与路径跟踪制导模块的一个输出端和通信网络相连；

预估器模块的两个输入端分别与路径跟踪制导模块的一个输出端、水下滑翔机的输出端相连；预估器模块的输出端与动力学控制模块的一个输入端相连；

动力学控制模块的输出端与水下滑翔机的输入端相连。