[发明专利]一种用于多自主水下航行器编队直线航迹跟踪控制方法

说明书

本发明涉及一种用于多自主水下航行器编队直线航迹跟踪控制方法，通过跟踪控制保证UUV精确地沿期望航迹运动，这一点对于精确测量任务尤为重要；通过对各个UUV的速度控制指令设计，实现了所有UUV在x方向渐进收敛至期望队形，且在保持队形的同时，整个编队系统以期望速度u_d(t)运动；本发明应用范围广。本发明不仅可以应用于UUV，还可以应用于各类水下机器人的编队直线航迹跟踪控制。

技术领域

本发明涉及的是一种自主水下航行器的控制方法，具体涉及一种多自主水下航行器编队的直线航迹跟踪控制方法。

背景技术

自主水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)是未来海洋探测和开发的重要工具之一。它能在一般潜水技术不可能达到的深度进行综合考察和研究并能完成多种作业，使海洋开发进入了新吋代。无论是海洋石油的勘探开釆、海底管道的铺设维修、海洋考察以及军事上的需求，都需要UUV的参与。而且随着机器人功能的增强，人工智能的进步，它所应用的范围也越来越广，逐渐地形成了一个综合应用各种知识服务于工业生产和人民生活的学科，它在很大程度上反映了一个国家海洋高科技的发展水平。

UUV是未来海洋探测和开发的重要工具之一。由于个体的知识、能力都是有限的，单艘UUV性能指标已经远远不能满足要求。而多UUV技术在军事上和海洋科学研究方面潜在的用途很大，于是其成为自主水下航行器研究和发展的必然方向之一。由多艘UUV组成的系统，通过同构或异构的方式，能够扩展单艘UUV的感知范围，增强系统的容错能力，实现单艘UUV无法完成或难以完成的复杂任务，从而使整个系统具有更高的智能和更强的功能。多UUV系统具有空间分布、功能分布、时间分布的特点，在海洋立体侦察、集群反潜、水下目标搜索等许多方面都有广阔的应用前景。现如今多UUV系统大多采用分布式协同控制，计算量过大，每个UUV都需要搭载机载计算机，所耗成本过高，计算过于复杂。

本发明解决的技术问题是：在避免一般编队控制计算成本过高的情况下，实现多UUV编队的直线航迹跟踪控制。本发明所提出跟踪控制方法为集中式控制方法，仅需主UUV处理其余UUV所传递的数据进行跟踪控制，可节省大量计算及造价成本，且相较于现有的集中式控制方法，鲁棒性更强。

本发明的技术方案是：一种用于多自主水下航行器编队直线航迹跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：初始设定：定义有若干个自主水下航行器，其中一个作为主UUV，其余为从UUV；计算主水下航行器的运动误差控制模型，实现对自身直线航迹控制；同时其余水下航行器将采集到的中心点坐标(x,y)和偏航角ψ，沿载体坐标系两轴的线速度和角速度传递给主水下航行器，在主UUV中进行运动误差控制模型的计算；

步骤2：建立运动误差控制模型，包括以下子步骤：

步骤1.1：通过自主水下航行器上搭载的测量传感器采集数据，获得自主水下航行器当前位置的中心点坐标(x,y)和偏航角ψ，沿载体坐标系两轴的线速度和角速度；通过给定的期望横向坐标y_d，定义横向跟踪误差e的“虚拟控制量”期望航向角为

其中e＝y-y_d，y_d为期望的横向坐标值，且有

步骤1.2：由期望航向角可得

从而得到参考航向角速度为：

u表示自主水下航行器的前向速度，v表示自主水下航行器的侧向速度；

步骤1.3：根据虚拟控制量期望航向角ψ_d和参考航向角速度r_d，计算自主水下航行器与期望航向的相对跟踪偏差：