一种欠驱动水下航行器编队控制方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种欠驱动水下航行器编队控制方法及系统，所述方法包括：建立水下航行器模型；利用图论知识建立通信拓扑式，引入辅助变量构建编队控制器；计算虚拟控制律，并将结果用于控制器的设计中，计算出控制推力输入与理想姿态指令；计算输入力矩使水下航行器的姿态跟踪理想姿态指令，使得一组航行器可以实现编队航行。本发明专利技术的优势在于：利用单位四元数对姿态进行描述，提高运算效率并可以避免奇点；通过一个积分型辅助变量结合双曲正切饱和函数构建编队控制器，增加了编队集群过程中的平稳性。平稳性。平稳性。

【技术实现步骤摘要】
一种欠驱动水下航行器编队控制方法及系统


[0001]本专利技术属于水下航行器领域，具体涉及一种欠驱动水下航行器编队控制方法及系统。

技术介绍

[0002]水下航行器的水下作业往往以单个形式出现，然而随着任务复杂度的增加(如：水下观测、组网、管道检修、探测等)，导致单个水下航行器难以完成复杂的水下任务，需要多个水下航行器以编队航行的形式相互协同配合来完成任务。同时，多个水下航行器之间相互合作也能够减少任务时间，提高工作效率和成功率。
[0003]水下航行器编队控制目标是实现多个航行器的编队航行，可以执行更高质量的任务，满足特定的需求。现有的研究没有将编队控制量进行限制，当编队成员过多以及各个成员之间的距离过大时，编队控制量非常大，会增加系统的负担，影响速度、姿态的控制品质。同时，对于姿态的描述通常利用欧拉角，计算效率较低。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服当编队成员过多以及各个成员之间的距离过大时，现有技术的编队控制计算量大，增加系统的负担，影响速度、姿态控制品质的缺陷。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提出了一种欠驱动水下航行器编队控制方法，所述方法包括：
[0006]步骤1：建立水下航行器模型；
[0007]步骤2：利用图论知识建立通信拓扑式，引入辅助变量构建编队控制器；
[0008]步骤3：计算虚拟控制律，并将结果用于控制器的设计中，计算出控制推力输入与理想姿态指令；
[0009]步骤4：计算输入力矩使水下航行器的姿态跟踪理想姿态指令，使得一组航行器实现编队航行。
[0010]作为上述方法的一种改进，所述步骤1具体为：
[0011]建立欠驱动水下航行器模型编队运动及动力学微分方程为：
[0012][0013][0014]其中，符号T为矩阵转置；定义北东地{E}＝[e1,e2,e3]T
为惯性坐标系，e1＝[1,0,0]T
，e2＝[0,1,0]T
，e3＝[0,0,1]T
为惯性坐标系{E}在三维方向x，y，z上的单位向量；第j个航行器的本体坐标系为{B
j
}＝[b
j1
,b
j2
,b
j3
]T
，其中，b
j1
＝[1,0,0]T
，b
j2
＝[0,1,0]T
，b
j3
＝[0,0,1]T
为{B
j
}在航行器三维方向u，v，w上的单位向量；
[0015]η
j1
＝[x
j
，y
j
，z
j
]T
为第j个航行器浮心在{E}下的位置坐标；
[0016]其中v
j1
＝[u
j
,v
j
,w
j
]T
为第j个航行器浮心在{B
j
}中的线速度大小，u
j
,v
j
,w
j
分别是第j个航行器浮心在{B
j
}中在u、v、w三个方向的线速度大小；v
j2
＝[p
j
,q
j
,r
j
]T
为{B
j
}相对于{E}的角速度大小在{B
j
}中的投影，p
j
,q
j
,r
j
分别为{B
j
}相对于{E}在u，v，w三个方向上的角速度大小在{B
j
}中的投影；
[0017]单位四元数定义为Q
j
＝[q
j1
,q
j2
,q
j3
,λ
j
]T
，用于描述{B
j
}相对于{E}的姿态；q
j1
,q
j2
,q
j3
，λ
j
四个变量，一起用于描述{B
j
}相对于{E}的在u，v，w三个方向上的姿态；
[0018]R(Q)
j
为{B
j
}相对于{E}的旋转矩阵：
[0019][0020]其中，I3×3为三阶单位对角矩阵；q
j
＝(q
j1
,q
j2
,q
j3
)
T
为取单位四元数Q
j
＝[q
j1
,q
j2
,q
j3
,λ
j
]T
的前三行定义的列向量；
[0021][0022][0023]为惯性矩阵，满足下式：
[0024][0025]其中，M
j11
＝m
j
I3×3+A
j11
，m
j
为航行器的质量，为水下航行器附加质量矩阵；M
j22
＝I
jo
+A
j22
，为航行器的转动惯量，为水下航行器附加惯量矩阵；
[0026]C(v)
j
定义为：
[0027][0028]其中，C
12
(v1)
j
、C
21
(v1)
j C
22
(v2)
j
为科氏力与向心力矩阵；
[0029]D(v)
j
定义为：
[0030][0031]其中，D
11
(v1)
j
、D
22
(v2)
j
为流体水动力阻尼矩阵；
[0032]G(η)
j
为恢复力与力矩向量，定义为：
[0033][0034]其中，W
j
为第j个航行器受到的重力，B
j
为第j个航行器所产生的浮力；为重心相对浮心的位置坐标；r
jg
为第j个航行器的重心坐标，r
jb
为第j个航行器的浮心坐标；为对于向量的斜对称矩阵；
[0035]τ
j
为第j个航行器的控制输入，定义为τ
j
＝(N
j
，0，0，Γ
j1
，Γ
j2
，Γ
j3
)
T
；其中N
j
代表第j个航行器沿着{B
j
}系中b
j1
方向的控制推力，Γ
j
＝(Γ
j1
，Γ
j2
，Γ
j3
)
T
为第j个航行器在u、v、w三个方向上的控制力矩。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种欠驱动水下航行器编队控制方法，所述方法包括：步骤1：建立水下航行器模型；步骤2：利用图论知识建立通信拓扑式，引入辅助变量构建编队控制器；步骤3：计算虚拟控制律，并将结果用于控制器的设计中，计算出控制推力输入与理想姿态指令；步骤4：计算输入力矩使水下航行器的姿态跟踪理想姿态指令，使得一组航行器实现编队航行。2.根据权利要求1所述的欠驱动水下航行器编队控制方法，其特征在于，所述步骤1具体为：建立欠驱动水下航行器模型编队运动及动力学微分方程为：欠驱动水下航行器模型编队运动及动力学微分方程为：其中，符号T为矩阵转置；定义北东地{E}＝[e1,e2,e3]
T
为惯性坐标系，e1＝[1,0,0]
T
，e2＝[0,1,0]
T
，e3＝[0,0,1]
T
为惯性坐标系{E}在三维方向x，y，z上的单位向量；第j个航行器的本体坐标系为{B
j
}＝[b
j1
,b
j2
,b
j3
]
T
，其中，b
j1
＝[1,0,0]
T
，b
j2
＝[0,1,0]
T
，b
j3
＝[0,0,1]
T
为{B
j
}在航行器三维方向u，v，w上的单位向量；η
j1
＝[x
j
，y
j
，z
j
]
T
为第j个航行器浮心在{E}下的位置坐标；其中v
j1
＝[u
j
,v
j
,w
j
]
T
为第j个航行器浮心在{B
j
}中的线速度大小，u
j
,v
j
,w
j
分别是第j个航行器浮心在{B
j
}中在u、v、w三个方向的线速度大小；v
j2
＝[p
j
,q
j
,r
j
]
T
为{B
j
}相对于{E}的角速度大小在{B
j
}中的投影，p
j
,q
j
,r
j
分别为{B
j
}相对于{E}在u，v，w三个方向上的角速度大小在{B
j
}中的投影；单位四元数定义为Q
j
＝[q
j1
,q
j2
,q
j3
,λ
j
]
T
，用于描述{B
j
}相对于{E}的姿态；q
j1
,q
j2
,q
j3
，λ
j
四个变量，一起用于描述{B
j
}相对于{E}的在u，v，w三个方向上的姿态；R(Q)
j
为{B
j
}相对于{E}的旋转矩阵：其中，I3×3为三阶单位对角矩阵；q
j
＝(q
j1
,q
j2
,q
j3
)
T
为取单位四元数Q
j
＝[q
j1
,q
j2
,q
j3
,λ
j
]
T
的前三行定义的列向量；的前三行定义的列向量；
为惯性矩阵，满足下式：其中，M
j11
＝m
j
I3×3+A
j11
，m
j
为航行器的质量，为水下航行器附加质量矩阵；M
j22
＝I
jo
+A
j22
，为航行器的转动惯量，为水下航行器附加惯量矩阵；C(v)
j
定义为：其中，C
12
(v1)
j
、C
21
(v1)
j C
22
(v2)
j
为科氏力与向心力矩阵；D(v)
j
定义为：其中，D
11
(v1)
j
、D
22
(v2)
j
为流体水动力阻尼矩阵；G(η)
j
为恢复力与力矩向量，定义为：其中，W
j
为第j个航行器受到的重力，B
j
为第...

【专利技术属性】
技术研发人员：王锐，郝程鹏，马慧，司昌龙，解玮，侯朝焕，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：