考虑通讯丢包的UUV集群水平面路径跟踪控制方法技术

本发明专利技术提供的是一种考虑通讯丢包的UUV集群水平面路径跟踪控制方法。利用反馈线性化将UUV的三自由度非线性模型简化为二阶仿射系统；利用直接离散化的方法将UUV连续动态方程转换为离散形式；设计考虑通讯丢包的UUV集群水平面路径跟踪控制器；利用所述控制器求得UUV集群中每个UUV的位置和速度；将信息传输到通讯拓扑图中规定的UUV中，把得到位置和速度带入每个UUV的动态方程中，计算出每个执行机构的驱动力和驱动力矩的数值；将控制量输入到航行器执行机构所对应的驱动装置，实现多UUV集群保持队形并跟踪期望路径。本发明专利技术能够有效保证在通讯存在丢包的情况下多UUV集群依然保持队形并完成水平面路径跟踪任务。

Horizontal path tracking control method for UUV cluster considering communication packet dropout

The present invention provides a horizontal path tracking control method for UUV cluster considering communication loss. The three-degree-of-freedom nonlinear model of UUV is simplified to a second-order affine system by feedback linearization; the continuous dynamic equation of UUV is transformed into discrete form by direct discretization method; the horizontal path tracking controller of UUV cluster considering communication packet loss is designed; and the position and speed of each UUV in UUV cluster are obtained by using the controller. The information is transmitted to the UUV specified in the communication topology diagram, and the position and speed are brought into the dynamic equation of each UUV. The driving force and driving torque of each actuator are calculated. The control quantity is input to the corresponding driving device of the actuator to realize the formation keeping and tracking period of the multi-UUV cluster. Look at the path. The invention can effectively ensure that the multi-UUV cluster remains in formation and completes the horizontal path tracking task in the case of packet loss in communication.

【技术实现步骤摘要】
考虑通讯丢包的UUV集群水平面路径跟踪控制方法
本专利技术涉及的是一种水下无人航行器集群的水平面路径跟踪控制方法。
技术介绍
UUV(水下无人航行器)是一种完成水下资源勘探、物体打捞以及环境监测等水下任务的重要工具，由于其成本低、体积小等特点，UUV通过导航装置测量的数据可以判断自身的位置信息和通过多普勒测速仪和陀螺仪判断速度和姿态等自身信息，来完成对环境的感知并通过控制算法实现水下任务。但是单个UUV可以感知的范围有限和数量的限制，不能完成大面积的勘探和搜索等任务，也不能完成目标围捕等复杂任务。多UUV集群的路径跟踪能力就是实现上述任务的重要技术前提。多UUV集群中的各航行器通过声呐进行信息的交换，获得其他航行器的位置以及速度信息后，利用一致性控制器实现设定的队形和航行轨迹。但是在复杂的海洋环境中，声呐传播的信息会有延时和丢包的情况发生，UUV集群中的航行器不能保证实时通讯的条件，因此需要确保在通讯条件不好的情况下多UUV集群依然保持队形并完成规定任务。针对UUV集群的路径跟踪控制，较多路径跟踪控制方法仅针对连续时间的条件，如潘大伟在文章《人工势场和虚拟结构相结合的多水下机器人编队控制》(发表于2017，工兵学报，第2期)，以及赵宁宁在文章《基于路径参数一致性的多AUV协同路径跟踪控制》发表于2015，火力与指导控制，第10期)中所提出的编队方法均可以使多航行器编队后可以跟踪期望路径。但是深海中的UUV间通讯传播只能利用声纳，且其他传感器包括加速器等数据都是离散的信息数据。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够有效保证在通讯存在丢包的情况下多UUV集群依然保持队形并完成水平面路径跟踪任务的考虑通讯丢包的UUV集群水平面路径跟踪控制方法。本专利技术的目的是这样实现的：(1)利用反馈线性化将UUV的三自由度非线性模型简化为二阶仿射系统；(2)利用直接离散化的方法将UUV连续动态方程转换为离散形式；(3)设计考虑通讯丢包的UUV集群水平面路径跟踪控制器；(4)利用所述控制器求得UUV集群中每个UUV的位置、姿态和速度；(5)将信息传输到通讯拓扑图中规定的UUV中，把得到位置、姿态和速度带入每个UUV的动态方程中，计算出每个执行机构的驱动力和驱动力矩的数值；(6)将控制量输入到航行器执行机构所对应的驱动装置，实现多UUV集群保持队形并跟踪期望路径。本专利技术还可以包括：1.步骤(1)具体包括：所建立的三自由度非线性模型为：其中向量和向量分别代表了UUV的位置与欧拉角的状态向量以及UUV自身的速度状态向量，J(η)是Jacobian转换矩阵，I为单位矩阵，M-1为惯性矩阵的逆矩阵，W(v)为科氏向心矩阵与阻尼矩阵之和，γ(ξ)为系数矩阵，uτ控制量；将UUV的动态方程表示为二阶仿射形式：μ＝r(ξ)。2.步骤(2)具体包括：所述离散模型为：vi[k+1]＝vi[k]+(T-τij(k))ui[k]变换坐标为：x＝[r1(ξ)r2(ξ)r3(ξ)]v＝[Lpr1(ξ)Lpr2(ξ)Lpr3(ξ)]输入为ui＝Τ(ξ)+Γ(ξ)uτ，其中Τ(ξ)如下：3.所述的通讯丢包的通讯延时无界情况为τij(k)依概率P满足T-τij(k)＞τ0，假设多UUV系统在nq个周期内的通讯结构图的并图一定有一个生成树。P表示通信成功的概率，存在一个正整数ns，满足1≤ns≤nq，只在周期[k+(ns-1),k+ns)内UUVi成功接收到UUVj。4.所述的水平面路径跟踪控制器为：xd(k)为期望路径即虚拟领航者的航行轨迹，vd(k)为虚拟领航者的速度值，si为UUV集群编队的初始位置坐标，sd为虚拟领航者的初始位置坐标，β1(k)＝(2/(T-τij(k))2)α1(k)和β2(k)＝(2/(T-τij(k))2)α2(k)，α1、α2是控制器增益，aij(k)、bij(k)分别是UUV的位置和速度拓扑图所对应邻接矩阵中元素，分别是虚拟领航者与UUV集群之间的位置和速度拓扑图所对应邻接矩阵中元素，σij(t)是加权值。5.步骤(5)具体包括：得到位置和速度带入每个UUV的动态方程中，计算出每个执行机构的驱动力和驱动力矩的数值为：uτi(k)＝Γ-1(xi(k))[ui(k)-T(xi(k))]。为了解决在离散信息条件下UUV集群的水平面路径跟踪控制问题，本专利技术提出了一种考虑通讯丢包的UUV集群水平面路径跟踪控制方法，尤其是适用于水下无人航行器在离散信息条件下通讯存在丢包情况的UUV集群的水平面路径跟踪控制方法。本专利技术的方法可以有效解决水下无人航行器在离散信息条件下的集群水平面空间路径跟踪控制问题。考虑了水下无人航行器传输信息存在环境干扰和通讯距离影响的特点，设计了考虑通讯丢包的UUV集群水平面路径跟踪控制方法，求得每个UUV的位置、姿态和速度后，将得到位置姿态和速度带入每个UUV的控制器中计算出每个执行机构的驱动力和驱动力矩的数值，再将控制量输入到航行器执行机构所对应的驱动装置，可以保证多UUV集群保持队形并跟踪期望路径。附图说明图1是离散信息条件下考虑通讯丢包的UUV集群水平面路径跟踪控制方法流程示意图；图2是UUV集群各航行器的通讯拓扑关系图；图3是UUV集群在路径跟踪过程中各个成员的东向方向的位置变化情况图；图4是UUV集群在路径跟踪过程中各个成员的北向方向的位置变化情况图；图5是UUV集群在路径跟踪过程中各个成员的首摇角的角度变化情况图；图6是UUV集群在路径跟踪过程中各个成员的纵荡速度变化情况图；图7是UUV集群在路径跟踪过程中各个成员的横荡速度变化情况图；图8是UUV集群在路径跟踪过程中各个成员的航向角速度变化情况图；图9是UUV集群水平面航行轨迹图。具体实施方式在实际的海洋环境中，多UUV在水下进行信息交换时一般都会受到环境的干扰，因此控制航行器运动的输入会受到延时的影响。但是UUV的信息采集都是基于离散时间的信息，因此一些针对连续时间的控制算法不能得到很好的应用。因此针对在离散条件下，并考虑存在通讯延时和丢包的多UUV的一致性研究就具有现实意义。本专利技术提供的一种考虑通讯丢包的UUV集群水平面路径跟踪控制方法，主要步骤包括：首先利用反馈线性化将UUV的三自由度非线性模型进行简化为二阶仿射系统；其次利用直接离散化得方法将UUV连续动态方程表达成离散形式。可以采用位置信息与速度信息独立传输并给出通讯的拓扑结构图，最大限度的减少单次通信信息量。然后设计考虑通讯丢包的UUV集群水平面路径跟踪控制方法，并利用设计的控制器求得UUV集群中每个UUV的位置和速度；再将信息传输到通讯拓扑图中规定的UUV中，把得到位置和速度带入每个UUV的动态方程中，计算出每个执行机构的驱动力和驱动力矩的数值；最后将控制量输入到航行器执行机构所对应的驱动装置，实现多UUV集群保持队形并跟踪期望路径。优选地，所述建立的三自由度非线性模型为：其中向量和向量分别代表了UUV的位置与欧拉角的状态向量以及UUV自身的速度状态向量。将UUV的动态方程表示为二阶仿射形式：μ＝r(ξ)优选地，所述离散模型为：vi[k+1]＝vi[k]+(T-τij(k))ui[k]变换坐标为：x＝[r1(ξ)r2(ξ)r3(ξ)]v＝[Lpr1(ξ)Lpr2(ξ)Lpr3(ξ)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑通讯丢包的UUV集群水平面路径跟踪控制方法，其特征是：(1)利用反馈线性化将UUV的三自由度非线性模型简化为二阶仿射系统；(2)利用直接离散化的方法将UUV连续动态方程转换为离散形式；(3)设计考虑通讯丢包的UUV集群水平面路径跟踪控制器；(4)利用所述控制器求得UUV集群中每个UUV的位置、姿态和速度；(5)将信息传输到通讯拓扑图中规定的UUV中，把得到位置、姿态和速度带入每个UUV的动态方程中，计算出每个执行机构的驱动力和驱动力矩的数值；(6)将控制量输入到航行器执行机构所对应的驱动装置，实现多UUV集群保持队形并跟踪期望路径。

【技术特征摘要】
1.一种考虑通讯丢包的UUV集群水平面路径跟踪控制方法，其特征是：(1)利用反馈线性化将UUV的三自由度非线性模型简化为二阶仿射系统；(2)利用直接离散化的方法将UUV连续动态方程转换为离散形式；(3)设计考虑通讯丢包的UUV集群水平面路径跟踪控制器；(4)利用所述控制器求得UUV集群中每个UUV的位置、姿态和速度；(5)将信息传输到通讯拓扑图中规定的UUV中，把得到位置、姿态和速度带入每个UUV的动态方程中，计算出每个执行机构的驱动力和驱动力矩的数值；(6)将控制量输入到航行器执行机构所对应的驱动装置，实现多UUV集群保持队形并跟踪期望路径。2.根据权利要求1所述的考虑通讯丢包的UUV集群水平面路径跟踪控制方法，其特征是步骤(1)具体包括：所建立的三自由度非线性模型为：其中向量和向量分别代表了UUV的位置与欧拉角的状态向量以及UUV自身的速度状态向量，J(η)是Jacobian转换矩阵，I为单位矩阵，M-1为惯性矩阵的逆矩阵，W(v)为科氏向心矩阵与阻尼矩阵之和，γ(ξ)为系数矩阵，uτ控制量；将UUV的动态方程表示为二阶仿射形式：μ＝r(ξ)；其中，ξ＝[ηΤ,vΤ]Τ，r(ξ)＝η。3.根据权利要求1所述的考虑通讯丢包的UUV集群水平面路径跟踪控制方法，其特征是步骤(2)具体包括：所述离散模型为：vi[k+1]＝vi[k]+(T-τij(k))ui[k]变换坐标为：x＝[r1(ξ)r2(ξ)r3(ξ)]v＝[Lpr1(ξ)Lpr2(ξ)Lpr3(ξ)]输入为ui＝Τ(ξ)+Γ(ξ)uτ，其中Τ(ξ)如下：其中，Lp为函数p(ξ)的李导数，i＝1,2,...,n，...

【专利技术属性】
技术研发人员：严浙平，杨泽文，张耕实，吴迪，岳立冬，周佳加，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23