【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及海洋技术工程领域，具体地，涉及一种用于水面无人船与自主水下无人航行器编队控制方法及系统。
技术介绍
1、无人航行器在水域探测、海洋科考、海洋军事等领域发挥着重要作用。随着人类对海洋的科学探索和经济活动日益频繁，单一类型的无人航行器由于自身局限性难以满足复杂任务需求，从声学探测角度讨论，水面距离水底较远，考虑水声传播损失，水面无人船无法使用高频高分辨率声学探测设备，而水下航行器则距底更近，同等情况下，可搭载高频探测载荷对水下环境精细探测；从导航通信精度角度讨论，水面无人船通过搭载卫星天线、无线电模块等设备，可以在大部分水域获得精确位置导航，以及与岸端可靠的数据传输，水下航行器导航依赖多普勒计程仪、惯导等设备进行航位推算，存在累计误差，导航精度有限，间接的影响了声学探测成像质量与探测目标位置标定精确度，另外，水下通信依赖水声，传输距离与带宽有限，航行器完成水下作业之前，岸端无法知晓水下探测执行情况。水面无人船与水下航行器的跨域协同则可以发挥二者各自优势，并实现增强水下导航精度，将无人船作为中继，形成岸端-水面船-水下航行器通信链路。由此可见，水面-水下航行器的跨域协同编队作业具有重要意义。
2、编队航行问题在学术界有着广泛的研究，解决办法主要围绕基于行为法、人工势场法、虚拟结构法、领航-跟随法、基于图论法等。领航-跟随法的思想较为简便，且可操作性高，诸多学者采用这种方法解决编队问题。对于水面无人船与自主水下无人航行器之间的跨域协同隶属于异构智能体的编队控制问题，由于智能体的模型不同、应用场景不同、控制方式不
3、专利文献cn113093767a公开了一种水下无人航行器编队的队形控制方法，包括如下步骤：步骤一：建立虚拟吸力势场以及虚拟斥力势场；步骤二：编队中各航行器实时获取自身的运动参数信息并发送至编队控制平台；步骤三：编队控制平台根据所述运动参数信息、虚拟吸力势场的零势点以及虚拟斥力势场的零势点计算各航行器的吸力的大小方向以及斥力的大小方向；步骤四：编队控制平台根据所述吸力的大小方向以及斥力的大小方向计算各航行器的校正量并将所述校正量分别发送给各航行器；步骤五：各航行器接收所述校正量后根据所述校正量调整航行参数。但该专利技术没有实现usv与auv的导航增强与信息交互。
技术实现思路
1、针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种用于水面无人船与自主水下无人航行器编队控制方法及系统。
2、根据本专利技术提供的一种用于水面无人船与自主水下无人航行器编队控制方法，包括：
3、步骤s1：将预定编队任务分别下发至usv与auv，将usv与auv布放入水中航行，计算相对位置；
4、步骤s2：设计auv参考航向角、参考航速、纵向控制力，设计艏摇方向控制扭矩；
5、步骤s3：计算误差变量和环境干扰估计误差变量；
6、步骤s4：控制auv推进器及舵面，使其产生计算得到的控制力和扭矩，实现usv与auv的编队航行。
7、优选地，在所述步骤s1中：
8、将usv与auv进行时钟同步、惯导正北方向对齐；
9、将预定编队任务分别下发至usv与auv；
10、式中：编队位置定义为在usv船体坐标系下auv的相对位置，为水平面内相对位置，为auv作业深度；将预定水面航行轨迹下发至usv；
11、将usv与auv布放入水中，usv获取初始位置ηusv＝[xusv_0,yusv_0,ψusv_0]t，为usv在大地坐标系下三自由度的位置，auv获取初始位置ηauv＝[η1,η2]t＝[xauv_0,yauv_0,zauv_0,φauv_0,θauv_0,ψauv_0]t，为auv在大地坐标系下六自由度的位置。
12、其中，xusv_0为usv的初始纵向位置，yusv_0为usv的初始横向位置，ψusv_0为usv的航向角；η1为auv的初始平动位移，η2为auv的初始姿态角，xauv_0为auv的初始纵向位置，yauv_0为auv的初始横向位置，zauv_0为auv的初始垂向位置，φauv_0为auv的初始横摇，θauv_0为auv的初始纵摇，ψauv_0为auv的初始艏摇角度；
13、usv按预定轨迹和预定航速航行，auv按编队作业任务开始航行；
14、在任意时刻，usv在大地坐标系下的位置信息为ηusv＝[xusv,yusv,ψusv]t，auv在大地坐标系下的位置信息为ηauv＝[η1,η2]t＝[xauv,yauv,zauv,φauv,θauv,ψauv]t，usv与auv通过水声通信交互彼此位置和速度信息；
15、其中，xusv为usv的纵向位置，yusv为usv的横向位置，ψusv为usv的航向角；xauv为auv的平动位移，yauv为auv的姿态角，zauv为auv的纵向位置，φauv为auv的横向位置，θauv为auv的垂向位置，φauv为auv的横摇，θauv为auv的纵摇，ψauv为auv的艏摇角度；
16、在忽略usv升沉运动、横摇运动、纵摇运动的基础上，auv在usv坐标系下的相对位置表示为ηl-f＝[xl-f,yl-f,zl-f,φl-f,θl-f,ψl-f]t，不考虑auv纵摇运动、横摇运动，计算usv与auv的相对位置：
17、xl-f＝(xf-xl)cosψl+(yf-yl)sinψl
18、yl-f＝-(xf-xl)sinψl+(yf-yl)cosψl
19、zl-f＝zf
20、ψl-f＝ψf-ψl
21、其中，φl-f为usv与auv的横摇角差值，θl-f为usv与auv的纵摇角差值，xf为auv的纵向位置，xl为usv的纵向位置，yf为auv的横向位置，yl为usv的横向位置，zf为auv的垂向位置，ψf为auv的艏摇角。
22、优选地，在所述步骤s2中：
23、定义编队控制横向误差为纵向误差为
24、其中，为横向编队设定距离，为纵向编队设定距离
25、利用视线法设计auv参考航向角，设计auv参考航向角为：
26、
27、式中：ψl为领航无人船的航向角；δ0，a，ly为设计参数；
28、为动态前视距离，根据横向误差自适应变化，参考航向角随横向误差自适应变化，使得auv接近编队位置并且不会在平衡点附近震荡；
29、设计auv参考航速uc为：
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1.一种用于水面无人船与自主水下无人航行器编队控制方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的用于水面无人船与自主水下无人航行器编队控制方法，其特征在于，在所述步骤S1中：
3.根据权利要求1所述的用于水面无人船与自主水下无人航行器编队控制方法，其特征在于，在所述步骤S2中：
4.根据权利要求1所述的用于水面无人船与自主水下无人航行器编队控制方法，其特征在于，在所述步骤S3中：
5.根据权利要求1所述的用于水面无人船与自主水下无人航行器编队控制方法，其特征在于，在所述步骤S3中：
6.一种用于水面无人船与自主水下无人航行器编队控制系统，其特征在于，包括：
7.根据权利要求6所述的用于水面无人船与自主水下无人航行器编队控制系统，其特征在于，在所述模块M1中：
8.根据权利要求6所述的用于水面无人船与自主水下无人航行器编队控制系统，其特征在于，在所述模块M2中：
9.根据权利要求6所述的用于水面无人船与自主水下无人航行器编队控制系统，其特征在于，在所述模块M3中：
10.
...【技术特征摘要】
1.一种用于水面无人船与自主水下无人航行器编队控制方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的用于水面无人船与自主水下无人航行器编队控制方法，其特征在于，在所述步骤s1中：
3.根据权利要求1所述的用于水面无人船与自主水下无人航行器编队控制方法，其特征在于，在所述步骤s2中：
4.根据权利要求1所述的用于水面无人船与自主水下无人航行器编队控制方法，其特征在于，在所述步骤s3中：
5.根据权利要求1所述的用于水面无人船与自主水下无人航行器编队控制方法，其特征在于，在所述步骤s3中：
...【专利技术属性】
技术研发人员：于特，刘佳鹏，曾青山，卢地华，周畅，张习迪，
申请(专利权)人：上海船舶电子设备研究所中国船舶集团有限公司第七二六研究所，
类型：发明
国别省市：
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