无人艇与水下无人潜器联合系统的协同交会对接控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种无人艇与水下无人潜器联合系统的协同交会对接控制方法，包括以下步骤：1)建立外界低频扰动下的水下无人潜器动力学模型与无人艇动力学模型并进行离散化；2)采集当前k时刻无人艇与水下无人潜器的状态信息；3)对外界扰动进行估计得到估计值；4)通过基于模型预测控制思想的优化计算得到从当前时刻到k+N时刻的一系列标称推力和扰动补偿力；5)根据得到的推力序列，将得到的第一个推力与补偿力相加应用于系统作为当前时刻的控制输入从而进行水下无人潜器和无人艇的对接控制。与现有技术相比，本发明专利技术能够实现在复杂扰动海洋环境中实现无人艇与水下无人潜器的动态对接，具有提高对接精度等优点。具有提高对接精度等优点。具有提高对接精度等优点。

【技术实现步骤摘要】
无人艇与水下无人潜器联合系统的协同交会对接控制方法


[0001]本专利技术涉及多海洋机器人协同交会对接控制技术，尤其是涉及一种无人艇与水下无人潜器联合系统的协同交会对接控制方法。

技术介绍

[0002]随着对海洋资源的日益重视，海洋探索技术已经成为实现资源探索、海洋科考等任务的重中之重。而在海洋探索技术中，以无人艇与水下无人潜器为代表的海洋机器人的相关控制技术是提高探索效率的关键，传统海洋机器人技术主要集中在单体的控制上，如单体的轨迹跟踪，定速巡航等。但由于水下无人潜器受体积容积的限制，其续航能力和数据存储能力受到极大的限制，因此，单一的海洋机器人很难执行长时间的连续工作，其必须要返回岸边进行能源补给，这对海洋搜索任务的工作效率有很大的影响。
[0003]针对此问题，利用多机器人协同控制技术，可将水下无人潜器与无人艇相结合，以无人艇作为移动充电站，为执行工作的水下无人潜器提供移动充电服务，构建无人艇与水下无人潜器的联合系统可极大地提高整个系统的工作效率，减少往返于固定充电站所消耗的时间，这其中的关键技术便是二者的交会对接技术。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人艇与水下无人潜器联合系统的协同交会对接控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立外界低频扰动下的水下无人潜器动力学模型与无人艇动力学模型并进行离散化；2)采集当前k时刻无人艇与水下无人潜器的状态信息；3)根据采集到的k时刻的状态信息与k
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1时刻的信息进行处理，对外界扰动进行估计得到估计值4)根据k时刻得到的无人艇与水下无人潜器的状态信息、与预设轨迹的偏差信息以及对当前时刻扰动的估计，通过基于模型预测控制思想的优化计算得到从当前时刻到k+N时刻的一系列标称推力和扰动补偿力；5)根据步骤4)中得到的推力序列，将得到的第一个推力与补偿力相加应用于系统作为当前时刻的控制输入从而进行水下无人潜器和无人艇的对接控制。2.根据权利要求1所述的一种无人艇与水下无人潜器联合系统的协同交会对接控制方法，其特征在于，所述的步骤1)中，水下无人潜器动力学模型的表达式为：水下无人潜器动力学模型的表达式为：水下无人潜器动力学模型的表达式为：水下无人潜器动力学模型的表达式为：水下无人潜器动力学模型的表达式为：其中，ρ
A
为水下无人潜器的位置状态向量，且ρ
A
＝[x
A
，y
A
，z
A
，φ
A
，θ
A
，ψ
A
]
T
，v
A
为水下无人潜器的速度状态向量，且v
A
＝[u
A
，v
A
，w
A
，p
A
，q
A
，r
A
]
T
，R
A
为坐标转换矩阵，R
T
为坐标转换矩阵中关于线速度相关的转换矩阵，R
R
为坐标转换矩阵中关于角速度相关的转换矩阵，x
A
为水下无人潜器的位置在惯性坐标系下x轴方向上的投影，y
A
为水下无人潜器的位置在惯性坐标系下y轴方向上的投影，z
A
为水下无人潜器的位置在惯性坐标系下z轴方向上的投影，φ
A
为水下无人潜器的滚转角度，θ
A
为俯仰角度，ψ
A
为航向角度，u
A
为前向速度，v
A
为横荡速度，w
A
为垂荡速度，p
A
为滚转角速度，q
A
为俯仰角速度，r
A
为航向转动角速度，M
A
为质量矩阵，C
A
为科里奥利矩阵，D
A
为阻尼矩阵，g为恢复力向量，τ
A
为水下无人潜器的推力输入，c(
·
)，s(
·
)，t(
·
)分别代表cos(
·
)，sin(
·
)，tan(
·
)三个三角函数。3.根据权利要求2所述的一种无人艇与水下无人潜器联合系统的协同交会对接控制方法，其特征在于，所述的步骤1)中，无人艇动力学模型的表达式为：无人艇动力学模型的表达式为：
其中，ρ
U
为无人艇的位置状态向量，且ρ
U
＝[x
U
，y
U
，ψ
U
]
T
，v
U
为无人艇的速度状态向量，且v
U
＝[u
U
，v
U
，r
U
]
T
，x
U
为无人艇的位置在惯性坐标系下x轴方向上的投影，y
U
为无人艇的位置在惯性坐标系下y轴方向上的投影，ψ
U
为无人艇的航向角度，R
U
为平面坐标系转换矩阵，u
U
为无人艇前向速度，v
U
为无人艇横荡速度，r
U
为无人艇转向角速度，M
U
为质量矩阵，C
U
为科里奥利矩阵，D
U
为阻尼矩阵，τ
U
为无人艇的推力输入。4.根据权利要求3所述的一种无人艇与水下无人潜器联合系统的协同交会对接控制方法，其特征在于，以离散化采样时间Δt＝0.1秒为采样步长分别对水下无人潜器动力学模型与无人艇动力学模型进行离散化得到的离散模型如下：X
A
(k+1)＝h
A，d
(X
A
(k)，τ
A
(k))+β1(k)X
U
(k+1)＝h
U，d
(X
U
(k)，τ
U
(k))+β2(k)其中，h
A，d
和h
U，d
为离散化后的水下无人潜器与无人艇的离散动力学向量函数，β1(k)和β2(k)分别为水下无人潜器与无人艇在k时刻受到的外界扰动，X
A
(k)为水下无人潜器在k时刻的状态向量，X
U
(k)为无人艇在k时刻的状态向量，τ
A
(k)为水下无人潜...

【专利技术属性】
技术研发人员：张卫东，贾泽华，孙志坚，陈卫星，徐鑫莉，杨子恒，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：