[发明专利]一种多AUV动态圆弧编队控制方法

说明书

本发明提供一种多AUV动态圆弧编队控制方法，是一种在已知路径下的多自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicles,AUV)动态圆弧编队控制策略，属于船舶控制技术领域。本发明提出了一种新的实现多AUV圆弧编队控制策略，将领航者与跟随者的位姿关系分为相对于坐标轴原点的距离与角度关系，构建姿态角、艏向角、速度误差模型，通过PID控制器控制编队中每个AUV实现圆弧编队运动；跟随者实时接收且只需接收领航者的位姿信息，减少了AUV在多种信息通讯时出现的延时、丢失等不利现象，增强了编队控制的稳定可靠性。

技术领域

本发明涉及一种在已知路径下的多AUV动态圆弧编队控制方法，尤其涉及一种多AUV动态圆弧编队控制方法，属于船舶运动控制领域。

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(Autonomous Underwater Vehicles,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。

本发明针对多AUV的圆弧编队，其基本思想是：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，构建姿态角、艏向角、速度误差模型，通过PID控制器控制编队中每个AUV进行圆弧编队；该方法可以扩展到其它曲线运动中，使得多AUV之间可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，通信量少，方法简单可靠。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种多AUV动态圆弧编队控制方法，跟随者实时接收且只需接收领航者的位姿信息，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。

本发明的目的是这样实现的：步骤如下：

步骤1：获得领航者和跟随者需跟踪的圆弧路径；

步骤2：建立参考坐标系

建立表达AUV运动的固定参考坐标系，以步骤1中获取的圆弧路径的圆心为固定参考坐标系的原点O；任意选取圆弧的一条直径所在的直线为坐标轴的纵轴，记为X轴；垂直于该直径且经过圆弧圆心的直线为坐标轴的横轴，记为Y轴；AUV重心为G，速度向量为V_t，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轴方向上的分力为F_X,F_Y；受到的外力矩为T；

建立表达AUV运动的运动坐标系，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V_t，在运动坐标系下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轴方向上的分力为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；

步骤3：建立AUV数学模型

固定坐标系的X轴与运动坐标系x轴的夹角为艏向角，记为ψ；AUV速度V_t与固定坐标系X轴的夹角为φ；假设u恒不为0，定义侧滑角β，则：

β＝φ-ψ＝arctan(v/u)

得到AUV的动力学模型为：