一種自主式水下航行器主從式協(xié)同控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種自主式水下航行器主從式協(xié)同控制方法，其包括以下步驟：考慮外部洋流的影響，將外部洋流視為外部擾動(dòng)并對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模；建立系統(tǒng)慣性坐標(biāo)系，將兩臺(tái)水下航行器之間的相對(duì)速度沿著它們形心之間連線以及垂直連線方向進(jìn)行矢量分解，建立系統(tǒng)的協(xié)同控制運(yùn)動(dòng)模型；通過(guò)反饋線性化方法將原系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模型轉(zhuǎn)化為帶外部擾動(dòng)的線性系統(tǒng)模型；為了抑制外部擾動(dòng)的影響設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)化后系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模型的前饋-反饋?zhàn)顑?yōu)控制器。本發(fā)明可以在洋流等外擾動(dòng)存在下，以較高跟蹤精度和較小的驅(qū)動(dòng)能量控制一臺(tái)自主水下航行器以一定的角度和距離跟蹤另一個(gè)自主水下航行器，能夠?qū)崿F(xiàn)自主水下航行器的協(xié)同控制。
【專利說(shuō)明】一種自主式水下航行器主從式協(xié)同控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種控制方法，特別是涉及一種自主式水下航行器主從式協(xié)同控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002]多自主式水下航行器(AUVs)的協(xié)同控制對(duì)于海洋科學(xué)考察和海洋開(kāi)發(fā)等具有重要意義。多AUVs協(xié)協(xié)同控制可以顯著提高AUV的包括海洋采樣、成像、監(jiān)視和通信在內(nèi)眾多應(yīng)用方面的能力。與陸地多機(jī)器人(或多智能體)協(xié)同控制相比，多AUVs協(xié)同控制特別困難。雖然近年來(lái)多AUVs協(xié)同控制問(wèn)題受到了廣泛的重視，但多AUVs協(xié)同控制研究不像陸地多機(jī)器人(或多智能體)協(xié)同控制那樣成熟。關(guān)于多AUVs協(xié)同控制的相關(guān)研究剛剛起步，其研究結(jié)果主要是借鑒了陸地多機(jī)器人(或多智能體)協(xié)同控制策略。文獻(xiàn)〈Mult1-AUVcontrol and adaptive sampling in Monterey Bay> 中 F1relli 等在 Monterey 海灣進(jìn)行了多AUVs的協(xié)同控制和自適應(yīng)采樣研究的實(shí)驗(yàn)，其使用了基于電纜的模塊化多AUVs的快速行駛及避障控制，受限于電纜的長(zhǎng)度并非完全自主控制。文獻(xiàn)〈High precis1nformat1n control of mobile robots using virtual structure approach〉中米用了集中式的虛擬結(jié)構(gòu)協(xié)同控制方法，采用了虛擬結(jié)構(gòu)編隊(duì)框架實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的協(xié)同控制，但是虛擬結(jié)構(gòu)為假想存在，現(xiàn)實(shí)中并不存在，限制了實(shí)際工程應(yīng)用。Do在文獻(xiàn)〈Format1ntracking control of unicycle-type mobile robots with limited sensing ranges>中研究了通訊受限情況下陸地機(jī)器人的協(xié)同控制問(wèn)題，但其并沒(méi)有考慮水下洋流對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種自主式水下航行器主從式協(xié)同控制方法，其可以在洋流等外擾動(dòng)存在下，以較高跟蹤精度和較小的驅(qū)動(dòng)能量控制一臺(tái)自主水下航行器以一定的角度和距離跟蹤另一個(gè)自主水下航行器，能夠?qū)崿F(xiàn)自主水下航行器的協(xié)同控制。
[0004]本發(fā)明是通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)解決上述技術(shù)問(wèn)題的:一種自主式水下航行器主從式協(xié)同控制方法，其特征在于，其包括以下步驟:考慮外部洋流的影響，將外部洋流視為外部擾動(dòng)并對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模；建立系統(tǒng)慣性坐標(biāo)系，將兩臺(tái)水下航行器之間的相對(duì)速度沿著它們形心之間連線以及垂直連線方向進(jìn)行矢量分解，建立系統(tǒng)的協(xié)同控制運(yùn)動(dòng)模型；通過(guò)反饋線性化方法將原系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模型轉(zhuǎn)化為帶外部擾動(dòng)的線性系統(tǒng)模型；為了抑制外部擾動(dòng)的影響設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)化后系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模型的前饋-反饋?zhàn)顑?yōu)控制器。
[0005]優(yōu)選地，所述外部洋流擾動(dòng)的數(shù)學(xué)建模為具有持續(xù)擾動(dòng)的外系統(tǒng)模型，由式/ = G/描述，其中G e R2x2為已知常量矩陣，由洋流擾動(dòng)特性所決定。所以水下洋流擾動(dòng)可以描述為滿足下列條件的擾動(dòng):矩陣G的所有特征值滿足ReUi (G) ]〈0，i = 1，2 ;外擾動(dòng)的初始條件是未知的。
[0006]優(yōu)選地，所述建立系統(tǒng)慣性坐標(biāo)系下協(xié)同控制運(yùn)動(dòng)模型的具體步驟如下:將兩臺(tái)水下航行器之間的相對(duì)速度沿著它們形心之間連線以及垂直連線方向進(jìn)行矢量分解，建立系統(tǒng)的協(xié)同控制運(yùn)動(dòng)模型，具體為=EAi為主機(jī)器人，Aj為從機(jī)器人，Aj以一定的距離g和角度#跟蹤Ai,通過(guò)設(shè)計(jì)合適的協(xié)同控制方法，使之形成兩個(gè)機(jī)器人之間的主從式隊(duì)形；Ai和Aj在慣性坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分別表示為Pi = [Xi Yi Θ Jt和P」=[χ」Yj Θ j]T !Vi和Vj分別為Ai和Aj的實(shí)際速度，Iij為Aj到Ai的距離，外為Ai速度方向和二者連線的夾角，d為參考點(diǎn)到Aj重心的距離，和f2為平面內(nèi)水下擾動(dòng)分量；將相對(duì)速度分別沿著連線方向以及垂直連線方向進(jìn)行分解，得:
[0007]

【權(quán)利要求】
1.一種自主式水下航行器主從式協(xié)同控制方法，其特征在于，其包括以下步驟:考慮外部洋流的影響，將外部洋流視為外部擾動(dòng)并對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模；建立系統(tǒng)慣性坐標(biāo)系，將兩臺(tái)水下航行器之間的相對(duì)速度沿著它們形心之間連線以及垂直連線方向進(jìn)行矢量分解，建立系統(tǒng)的協(xié)同控制運(yùn)動(dòng)模型；通過(guò)反饋線性化方法將原系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模型轉(zhuǎn)化為帶外部擾動(dòng)的線性系統(tǒng)模型；為了抑制外部擾動(dòng)的影響設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)化后系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模型的前饋-反饋?zhàn)顑?yōu)控制器。
2.如權(quán)利要求1所述的自主式水下航行器主從式協(xié)同控制方法，其特征在于，所述外部洋流擾動(dòng)的數(shù)學(xué)建模為具有持續(xù)擾動(dòng)的外系統(tǒng)模型，由式/ = G/描述，其中G e R2x2為已知常量矩陣，由洋流擾動(dòng)特性所決定。所以水下洋流擾動(dòng)可以描述為滿足下列條件的擾動(dòng):矩陣G的所有特征值滿足ReUi (G) ]〈0，i = 1，；外擾動(dòng)的初始條件是未知的。
3.如權(quán)利要求1所述的自主式水下航行器主從式協(xié)同控制方法，其特征在于，所述建立系統(tǒng)慣性坐標(biāo)系下的協(xié)同控制運(yùn)動(dòng)模型的具體步驟如下:將兩臺(tái)水下航行器之間的相對(duì)速度沿著它們形心之間連線以及垂直連線方向進(jìn)行矢量分解，建立系統(tǒng)的協(xié)同控制運(yùn)動(dòng)模型，具體為^Ai為主機(jī)器人，Aj為從機(jī)器人，Aj以一定的距離棗和角度<跟蹤Ai,通過(guò)設(shè)計(jì)合適的協(xié)同控制方法，使之形成兩個(gè)機(jī)器人之間的主從式隊(duì)形夂和Aj在慣性坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分別表示為Pi = [Xi Yi Θ i]T和Pj = [Xj Yj Θ j]T ；Vi和Vj分別為Ai和Aj的實(shí)際速度，Iij為到Ai的距離，％為Ai速度方向和二者連線的夾角，d為前端參考點(diǎn)到Aj重心的距離，和f2為平面內(nèi)水下擾動(dòng)分量；將相對(duì)速度分別沿著連線方向以及垂直連線方向進(jìn)行分解，得:
為后續(xù)處理方便，將上式寫(xiě)為矢量形式，定義Ui = [Vi Wi]1, f =Lf1 f2]T, Uj = [Vj ω/，^ij = Θ r θ J,則 Zl=Gx-Uj+Fl-Ui+D1-/^ ?^=ω「α^ ,
【文檔編號(hào)】G05D1/10GK104076688SQ201410339264
【公開(kāi)日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月17日
【發(fā)明者】袁健, 周忠海, 牟華, 李俊曉 申請(qǐng)人:山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所