[发明专利]一种基于改进人工势场法和状态切换的多AUV混合编队方法

说明书

本发明提出了一种基于改进人工势场法和状态切换的多自主式水下潜器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)混合编队方法，首先对人工势场法改进，将AUV与目标之间距离的高次幂和AUV与障碍物的相对速度、相对加速度引入斥力势场函数，解决了局部最小点问题；其次建立切换系统模型，定义编队行为，然后设计状态切换机制，切换机制由差值矩阵触发；最后在改进人工势场法的基础上设计姿态调整机制，调整各个AUV达到期望姿态形成编队队形。本发明实现了多AUV编队的有效快速避障，弥补了各传统编队方法仅在某种环境下有较好效果的短板，减少了AUV的能耗，提高了多AUV联合作业的效率。

技术领域

本发明涉及多自主式水下潜器AUV(Autonomous Underwater Vehicle)水下编队控制方法，尤其涉及一种基于改进人工势场法和状态切换的多AUV混合编队方法。

背景技术

多AUV的编队控制是指在AUV之间通过建立通信控制策略,使得多AUV系统协同完成指定的复杂任务,实现预期编队，并在之后的运动中实现避碰和避障。

目前常用的水下机器人编队控制方法有：领航跟随法、基于行为法、虚拟结构法、基于图论法和人工势场法。在不同的环境中，每一种编队方法都拥有其自身的优点和缺点。

其中领航跟随法是使用较多的控制方法。领航跟随法的优点在于只需要控制领航者即可控制编队，且数学分析简单，通信压力较小，容易保持队形；但缺点是容错率不高，一旦领航者出现故障，则整个系统就会瘫痪，当领航AUV运动过快，也会使跟随AUV难以及时跟踪，也使队形难以稳定，协同任务无法继续进行。

基于行为法通过行为的组合实现编队功能的多样化，但缺点是无法准确地描述系统的整体行为，难以进行理论论证，且稳定性不足，不易保持队形。

虚拟结构法使得编队整体决策较为容易，且由于刚体的特性使得编队本身的稳定性较好；缺点是灵活性不足，需要较高队形保持性能时，尤其是编队构型为时变或需要进行频繁重置时，该策略的使用会受到限制且无法考虑到整体的避障问题。

基于图论法便于队形的实现并且队形转换较为容易，但是该方法现阶段理论研究居多，物理实现较为复杂。

对于避障而言，人工势场法可以有效解决该问题，并且它的方法简单，具有较高的灵活性和适用性，但缺点是容易使编队对象陷入局部最小点的问题。

由上可见，不同的方法在不同环境中具有局限性，且在编队避障过程中较为复杂缓慢，导致效率较低，使得能耗增加。因此，如何实现多AUV高效避障和协同作业，成为亟待解决的技术问题。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的不足之处，本发明提出一种基于改进人工势场法和状态切换的多AUV混合编队方法，在进行协同编队的过程中采用多种方法相结合的方式实现多AUV高效避障和协同作业，既弥补了单个算法的局限性又提高了编队和避障效率，在提高了协同作业效率的同时，整体降低了算法的复杂度以及避障过程中的能耗。

技术方案：本发明基于改进人工势场法和状态切换的多AUV混合编队方法，包括以下步骤：

步骤(1)：采用基于改进人工势场法的水下航行器的实时路径规划方法进行规划；

步骤(2)：建立切换系统模型，该切换系统模型由状态切换机制和控制部分组成，将各个编队控制方法与改进人工势场算法分别模块化，设计状态切换机制，定义编队行为，设置编队状态阈值矩阵；

步骤(3)：在改进人工势场法的基础上设计姿态调整机制，调整各个AUV的姿态，使之达到期望姿态。

其中，步骤(1)采用基于改进人工势场法的水下航行器的实时路径规划方法进行规划时，具体包括以下步骤：