[发明专利]一种集群UUV系统及其水下双重冗余通信信息传输方法

权利要求书

1.一种集群UUV系统，其特征在于：包括水下通信声呐组合单元、信号处理单元、数据处理单元、任务分配单元和任务执行单元，集群UUV中每个UUV都配备用作水下通信信号传输水下通信声呐，UUV通过通信声呐进行数据交互，UUV接收到其他UUV经通信声呐传输来的信息在数据处理单元进行数据处理，UUV处理完数据，通过任务分配单元进行任务分配；任务分配完成后，UUV通过任务执行单元执行分配的任务；通过采用位置与速度双重冗余通信信息传输方式解决水下通信带宽受限所带来的通信问题，集群UUV各成员之间传递位姿状态信息与速度状态信息，信息传递通道之间互不相干，独立传输。

2.根据权利要求1所述一种集群UUV系统，其特征在于：每台UUV都有通信声呐传感器，UUV之间可相互传递信息；所述信号处理单元是把声学信号转化为电信号的处理系统；所述数据处理单元为声学信号转化为电信号后进行滤波处理系统；所述任务分配单元是一台计算机；所述任务执行单元是UUV所带的各种执行机构，包括舵机、主推、辅推。

3.一种集群UUV系统水下双重冗余通信信息传输方法，基于所述集群UUV系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、利用反馈线性化方法建立UUV运动学和动力学方程；

步骤2、通过测速仪和陀螺仪获得每个UUV的位置姿态信息和速度信息；

步骤3、分别建立第i个UUV在t时刻的位置和速度误差状态向量；

步骤4、分别建立传输位置信息的位置通信矩阵和传输速度信息的速度通信矩阵，两者独立传输，互不影响；

步骤5、根据李雅普诺夫矩阵稳定性判别条件判别通信矩阵的稳定性；

步骤6、UUV在运动过程中判断是否存在时延，若出现时延，进行舰位推算判别UUV状态；

步骤7、在位置和速度某一状态缺失的情况下系统稳定性分析，UUV根据集群中其他成员当前时刻的运动状态确定自身的运动状态，在运动过程中判断是否存在状态缺失，若存在状态缺失，进行数据推算判别UUV个体的状态；

步骤8、在海流扰动条件下系统稳定分析，UUV在执行海洋任务中，复杂海洋环境对UUV集群系统的稳定性造成很大影响，根据UUV集群形成编队任务中受到的未知海流扰动情况，对UUV集群系统的稳定性进行分析，判断是否存在海流扰动，若出现海流扰动则进行数据补偿；

步骤9、UUV根据集群中其他成员当前时刻的空间位置及运动状态确定自身的运动趋势，在位置与速度双重冗余通信信息传输方式条件下，全部UUV的运动状态都趋于一致时，则实现编队系统达到稳定，任务结束。

4.根据权利要求3所述一种集群UUV系统水下双重冗余通信信息传输方法，其特征在于，所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1、第i个UUV在t时刻的状态为其中x_i(t)和v_i(t)分别为第i个UUV在t时刻的位置和速度；

步骤3.2、n个UUV的位置和速度状态为

步骤3.3、第i个UUV的位置和速度误差状态向量分别为

步骤3.4、集群UUV的位置和速度误差状态向量为

5.根据权利要求4所述一种集群UUV系统水下双重冗余通信信息传输方法，其特征在于，所述步骤5具体包括以下步骤：

步骤5.1、构建稳定性方程，求出系统的特征值；

步骤5.2、系统状态误差方程为其中，τ为延时环节，λ(t-τ)为系统在(t-τ)时刻的误差状态向量，H_v、H_x为正定矩阵，k为系统增益且k满足以下条件λ_x为最小特征值，λ_M为矩阵的最大特征值，其中H_v、H_x为正定矩阵，λ_m是矩阵P_v的最小特征值；

步骤5.3、根据牛顿-莱布尼兹公式，将系统状态误差方程转化为判定系统为一致渐进稳定。

6.根据权利要求5所述一种集群UUV系统水下双重冗余通信信息传输方法，其特征在于：所述延时环节，对于不同的时变延时环节，UUV集群系统稳定性进行分析论证，验证系统稳定收敛的边界条件；对于集群UUV，基于反馈线性化协调控制系统，在水下通信带宽受限并且不同通信信息传输方式层存在不同时间延迟τ₁(t)和τ₂(t)的条件下，构建位置和速度误差状态向量Δx_i和Δv_i以及系统的误差状态向量为：则系统的状态误差方程为：L_x和L_v分别为位置Laplacian矩阵和速度Laplacian矩阵，λ_x(t-τ₁)为系统在(t-τ₁)时刻的位置误差状态向量，λ_v(t-τ₂)为系统在(t-τ₂)时刻的速度误差状态向量，得其中，根据牛顿莱布尼兹公式，得dao：最后根据李雅普诺夫矩阵判别条件，判定系统稳定。