适用于水下无人航行器的双层集群控制方法技术

本发明专利技术涉及一种适用于水下无人航行器的双层集群控制方法。其包括由若干水下无人航行器编队组网成的集群，配置得到领航者与跟随者；对任一跟随者，根据所确定的跟随航行位置信息、跟随航行运动信息以及所接收到的跟随控制状态信息，确定所述跟随者跟随领航者时的跟踪状态控制信息，以使得跟随者在所述跟踪状态控制信息下跟踪领航者时，与领航者间相应的编队航行状态与所接收跟随控制状态信息内的编队队形信息匹配，其中，所述跟踪状态控制信息包括用于确定跟随者跟踪航行速度的速度层控制状态以及用于确定跟随者跟踪目标航向角的位置层控制状态。本发明专利技术在水下弱通行环境下，提高多水下无人航行器编队控制的稳定性与可靠性。靠性。靠性。

【技术实现步骤摘要】
适用于水下无人航行器的双层集群控制方法


[0001]本专利技术涉及一种控制方法，尤其是一种适用于水下无人航行器的双层集群控制方法。

技术介绍

[0002]水下无人航行器是一种无人化的平台，通过自主控制技术实现在无人干预的情况下能够自主的执行水下作业任务。目前，水下无人航行器可以广泛的应用于湖泊、海洋科学调查、探测等多个领域。随着水下探测作业的要求越来越高、任务量越来越大，单个航行器作业已不能满足某些复杂作业的使用要求。
[0003]为满足大范围高精度的海洋观测的需求，可以采取多水下无人航行器编队组网作业来实现。和单个的水下无人航行器作业相比，通过多水下无人航行器编队组网作业的方式具有信息获取更精确、工作效率更高、观测范围更广、系统鲁棒性更高等优点。但是对于多个水下无人航行器，进行水下编队组网作业还面临着水下通信能力弱传输不稳定且数据量较少的问题，以及在弱通信条件下编队控制方法不成熟等问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种适用于水下无人航行器的双层集群控制方法，其在水下弱通行环境下，提高多水下无人航行器编队控制的稳定性与可靠性。
[0005]按照本专利技术提供的技术方案，一种适用于水下无人航行器的双层集群控制方法，包括由若干水下无人航行器编队组网成的集群，
[0006]将集群内的一水下无人航行器配置为领航者，集群内其余的水下无人航行器均配置为跟随者，其中，向领航者发送领航控制状态信息，向每个跟随者发送一相应的跟随控制状态信息，领航控制状态信息包括编队路径信息以及编队速度信息，跟随控制状态信息包括编队路径信息、编队速度信息以及与跟随者相适配的编队队形信息，编队队形信息至少包含表征相应接收所述编队队形信息的跟随者与领航者之间的相对位置信息；
[0007]根据所接收到领航控制状态信息航行后，领航者向所有的跟随者发送领航状态信息；
[0008]对任一跟随者，在接收到领航状态信息后，确定所述跟随者当前的跟随航行位置信息以及跟随航行运动信息，并根据所确定的跟随航行位置信息、跟随航行运动信息以及所接收到的跟随控制状态信息，确定所述跟随者跟随领航者时的跟踪状态控制信息，以使得跟随者在所述跟踪状态控制信息下跟踪领航者时，与领航者间相应的编队航行状态与所接收跟随控制状态信息内的编队队形信息匹配，其中，所述跟踪状态控制信息包括用于确定跟随者跟踪航行速度的速度层控制状态以及用于确定跟随者跟踪目标航向角的位置层控制状态。
[0009]还包括与集群适配的岸站，通过岸站与集群内水下无人航行器无线通信，且岸站
与集群内所有的水下无人航行器通信后，配置得到所需的领航者以及与所配置领航者相对应的跟随者；
[0010]岸站与集群间的无线通信方式包括广播通信以及单点通信，其中，岸站通过广播通信方式将编队路径信息以及编队速度信息发送至领航者以及所有的跟随者，将向跟随者以单点通信方式发送对应的编队队形信息。
[0011]所述领航状态信息包括领航者当前位置、领航航向psi、编队速度LSP以及由领航者当前位置与编队路径信息确定的当前领航路径路段；
[0012]领航者以广播发送方式将领航状态信息发送至集群内所有的跟随者，其中，广播发送时，先将领航者当前位置、领航航向psi以及编队速度LSP进行所需的数据压缩，再将当前领航路径路段以及压缩后的领航者当前坐标、领航航向psi、编队速度LSP向跟随者发送。
[0013]对领航者当前坐标数据压缩时，将领航者当前位置相应的经度值、纬度值转换成3字节的int型数据；对领航航向psi数据压缩时，将领航航向psi转换成2字节的short型数据；对编队速度LSP数据压缩时，将编队速度LSP信息转换成2字节的short型数据。
[0014]确定跟踪状态控制信息的速度层控制状态时，包括如下步骤：
[0015]步骤1、根据领航者当前位置[Sx,Sy]以及当前跟随者接收的编队队形信息[Dissx,Dissy]，确定跟随者需跟随航行的虚拟点Ja，则有
[0016][0017]其中，Sx为领航者当前位置在WGS
‑
84坐标系下相应的经纬度经高斯投影在大地直角坐标系下的x轴坐标，Sy为领航者的当前位置在WGS
‑
84坐标系下相应的经纬度经高斯投影在大地直角坐标系下的x轴坐标，Dissx为根据跟随者所接收编队队形信息确定在大地直角坐标系下与领航者在x方向的距离坐标，Dissy为根据跟随者所接收编队队形信息确定在大地直角坐标系下与领航者在y方向的距离坐标，Jax为虚拟点Ja在大地直角坐标系下的x轴坐标，Jay为虚拟点Ja在大地直角坐标系下的y轴坐标；
[0018]步骤2、在虚拟点Ja上建立局部大地直角坐标系，确定跟随者在建立的局部大地直角坐标系下的局部坐标则有
[0019][0020]其中，PGax为虚拟点Ja在局部大地直角坐标系下的x轴坐标，PGay为虚拟点Ja在局部大地直角坐标系下的y轴坐标，Gx为根据跟随航行位置信息确定跟随者当前位置在大地直角坐标系下的x轴坐标，Gy为根据跟随航行位置信息确定跟随者当前位置在大地直角坐标系下的y轴坐标，Gpsi为根据跟随航行运动信息确定跟随者的当前航向角；
[0021]步骤3、确定跟随者的跟踪航行速度GSP，则有
[0022]GSP＝LSP+KSP*PGax+KSD*(PGax
‑
PG
′
ax)
[0023]其中，KSP为比例系数、KSD为微分控制系数；PG
′
ax为前一个虚拟点Ja在相应局部直角坐标系下的x轴坐标。
[0024]确定跟踪状态控制信息的位置层控制状态时，包括如下步骤：
[0025]步骤10、确定跟随者跟随路径时的路径航行角Tpsi，则有
[0026]Tpsi＝arctan2(y
k+1
‑
y
k
,x
k+1
‑
x
k
)
[0027]其中，(x
k
,y
k
)为当前领航路径路段k相应前端点在WGS
‑
84坐标系下的经纬度经高斯投影在大地直角坐标系下的坐标，(x
k+1
,y
k+1
)为当前领航路径路段k相应后端点在WGS
‑
84坐标系下的经纬度经高斯投影在大地直角坐标系下的坐标；
[0028]步骤11、根据跟随者所接收的编队队形信息，确定得到虚拟点P的坐标则有
[0029][0030]其中，Px为虚拟点P在大地直角坐标系下的x轴坐标，Py为虚拟点P在大地直角坐标系下的y轴坐标；
[0031]步骤12、跟随者以虚拟点P对领航者实施路径跟踪，确定虚拟点P与领航者路径间的横向偏差e，则有
[0032]e＝
‑
(Px
‑
x
k
)sin(Tpsi)+本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于水下无人航行器的双层集群控制方法，包括由若干水下无人航行器编队组网成的集群，其特征是：将集群内的一水下无人航行器配置为领航者，集群内其余的水下无人航行器均配置为跟随者，其中，向领航者发送领航控制状态信息，向每个跟随者发送一相应的跟随控制状态信息，领航控制状态信息包括编队路径信息以及编队速度信息，跟随控制状态信息包括编队路径信息、编队速度信息以及与跟随者相适配的编队队形信息，编队队形信息至少包含表征相应接收所述编队队形信息的跟随者与领航者之间的相对位置信息；根据所接收到领航控制状态信息航行后，领航者向所有的跟随者发送领航状态信息；对任一跟随者，在接收到领航状态信息后，确定所述跟随者当前的跟随航行位置信息以及跟随航行运动信息，并根据所确定的跟随航行位置信息、跟随航行运动信息以及所接收到的跟随控制状态信息，确定所述跟随者跟随领航者时的跟踪状态控制信息，以使得跟随者在所述跟踪状态控制信息下跟踪领航者时，与领航者间相应的编队航行状态与所接收跟随控制状态信息内的编队队形信息匹配，其中，所述跟踪状态控制信息包括用于确定跟随者跟踪航行速度的速度层控制状态以及用于确定跟随者跟踪目标航向角的位置层控制状态。2.根据权利要求1所述的适用于水下无人航行器的双层集群控制方法，其特征是：还包括与集群适配的岸站，通过岸站与集群内水下无人航行器无线通信，且岸站与集群内所有的水下无人航行器通信后，配置得到所需的领航者以及与所配置领航者相对应的跟随者；岸站与集群间的无线通信方式包括广播通信以及单点通信，其中，岸站通过广播通信方式将编队路径信息以及编队速度信息发送至领航者以及所有的跟随者，将向跟随者以单点通信方式发送对应的编队队形信息。3.根据权利要求1或2所述的适用于水下无人航行器的双层集群控制方法，其特征是：所述领航状态信息包括领航者当前位置、领航航向psi、编队速度LSP以及由领航者当前位置与编队路径信息确定的当前领航路径路段；领航者以广播发送方式将领航状态信息发送至集群内所有的跟随者，其中，广播发送时，先将领航者当前位置、领航航向psi以及编队速度LSP进行所需的数据压缩，再将当前领航路径路段以及压缩后的领航者当前坐标、领航航向psi、编队速度LSP向跟随者发送。4.根据权利要求3所述的适用于水下无人航行器的双层集群控制方法，其特征是：对领航者当前坐标数据压缩时，将领航者当前位置相应的经度值、纬度值转换成3字节的int型数据；对领航航向psi数据压缩时，将领航航向psi转换成2字节的short型数据；对编队速度LSP数据压缩时，将编队速度LSP信息转换成2字节的short型数据。5.根据权利要求3所述的适用于水下无人航行器的双层集群控制方法，其特征是，确定跟踪状态控制信息的速度层控制状态时，包括如下步骤：步骤1、根据领航者当前位置[Sx,Sy]以及当前跟随者接收的编队队形信息[Dissx,Dissy]，确定跟随者需跟随航行的虚拟点Ja，则有其中，Sx为领航者当前位置在WGS
‑
84坐标系下相应的经纬度经高斯投影在大地直角坐
标系下的x轴坐标，Sy为领航者的当前位置在WGS
‑
84坐标系下相应的经纬度经高斯投影在大地直角坐标系下的x轴坐标，Dis...

【专利技术属性】
技术研发人员：王健，张华，滕延斌，曹园山，郑鹏，
申请(专利权)人：中国船舶科学研究中心，
类型：发明
国别省市：