[发明专利]一种非周期通信的水下滑翔机协同控制器系统及设计方法

说明书

本发明公开了一种水下滑翔机协同控制器结构及其设计方法，所述的结构包括通信网络和多个控制器单元，所述的通信网络经过非周期通信机制后分别与多个控制器单元相连。本发明通过构造基于自身路径参数、邻居路径参数的预设触发事件函数，设计了一种非周期的通信方式，当满足预设触发条件时才进行水下滑翔机之间的信息交互，能够显著减轻通信负担，降低能量消耗，满足长时间海洋观测的实际需求。本发明针对状态信息不完全、模型参数不确定、复杂海洋环境扰动下的水下滑翔机集群系统，实现了水下滑翔机在配备传感器数量少、精度低的情况下，能够有效降低控制器设计对多传感器的依赖，实现规划路径下的协同跟踪，满足海洋观测的实际需求。

技术领域

本发明涉及水下滑翔机控制领域，特别是一种非周期通信的水下滑翔机协同控制器系统及设计方法。

背景技术

海洋占地球表面积的71％，环绕着地球上的所有陆地，占人类发展的“空、天、陆、海”四大战略空间的一部分，其中蕴藏着丰富的矿产资源与生物资源，大洋底部还沉积着极其丰富的多金属结核，这使得发展水下机器人等相关领域成为一种必要趋势。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，其具有能量消耗低、续航能力强、噪音极低、适于重复使用和大量投放等优点。由于单台水下滑翔机的观测或探测功能相对单一，单位时间的作业范围非常有限，使得水下滑翔机以集群的形式协同作业成为水下滑翔机的必然发展趋势。

近二十年来，世界海洋强国围绕水下滑翔机集群组网协同开展了大量的研究与应用试验工作，并已有许多可行性解决方法。但现有技术仍面临以下问题：

第一，水下滑翔机存在速度、外部干扰未知及模型不确定性等问题，这使得在实际应用中，无法较好的对水下滑翔机进行控制；

第二，现有水下滑翔机控制包含基于观测器的输出反馈控制方法，但模糊观测器估计的同时也会带来高频震荡，影响控制精度；

第三，现有的水下滑翔机协同路径跟踪控制方法要求水下滑翔机之间保持连续或周期通信，这在实际网络环境下很难实现。因此，需要进一步考虑非周期通信机制的通讯方式，节约通讯资源。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明拟在考虑通信受限下集群水下滑翔机的非周期通信协同路径跟踪问题，提出一种非周期通信的水下滑翔机协同控制器系统及设计方法，使得水下滑翔机之间不再需要连续通信，仅在满足触发条件时进行通信，有效地降低集群水下滑翔机协同所需的通信频次。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种水下滑翔机协同控制器系统，包括通信网络和多个控制器单元，所述的通信网络为基于非周期通信机制的通信网络，所述的通信网络经过非周期通信机制后分别与多个控制器单元相连；

所述的控制器单元包括协同模块、路径跟踪制导模块、动力学模块、模糊观测器、基于低频学习的模糊控制器和预设触发事件模块；所述的协同模块的两个输入端分别与路径跟踪制导模块的输出端和通信网络的输出端相连，协同模块的三个输出端分别与路径跟踪制导模块的输入端、通信网络的输入端和预设触发事件模块的输入端相连；所述的路径跟踪制导模块共四个输入端，其中三个输入端分别与水下滑翔机的输出端、模糊观测器的输出端和协同模块的输出端相连，第四个输入端为给定的路径参数；路径跟踪制导模块的另一个输出端分别与动力学模块的输入端和基于低频学习的模糊控制器的输入端相连；所述的动力学模块的另一个输入端与基于低频学习的模糊控制器的输出端相连，动力学模块的两个输出端分别与水下滑翔机的两个输入端、低频学习+控制器的两个输入端相连；所述的基于低频学习的模糊控制器的另一个输入端与模糊观测器的输出端相连，基于低频学习的模糊控制器的输出端与动力学模块的输入端相连；所述的预设触发事件模块的三个输入端分别与协同模块未触发前输出端、协同模块触发后输出端和邻居预设触发事件模块输出端相连，预设触发事件模块的输出端与触发开关相连；