一种无人潜水器集群分布式敏捷协同控制方法及其系统

本发明涉及协同控制，具体涉及一种无人潜水器集群分布式敏捷协同控制方法及其系统。

背景技术：

1、随着科技的发展以及对海洋探索的不断深入，在水质监测、环境保护和资源开发等应用中，水下无人观测是其中的重要手段之一。而开发、利用和建设海洋必须要有利器，以自主水下航行器（auv）为代表的无人自治平台具备智能、敏捷、稳定、协同作业的优势，作为一种可高效执行各类水下任务的工具，在海洋开发和应用中起着越来越重要的作用。因此如何科学高效的利用auv开展海洋观测任务是海洋观测技术的前沿发展方向。

2、当前对于海洋环境的观测内容随着科技不断发展和实际研究的数据需求，正在发生由大范围的慢变观测向着中小尺度较快变化观测的转变。区域环境的动态变化对特殊气候形成、灾害条件产生以及生物习性变迁等有着极其重要的影响。区域性、多变性、实时性环境观测要求无人观测平台具备以下能力。一是具有在大空间尺度内，进行高速、立体、同步、稳定、高分辨率海洋观察的能力；二是具有应对复杂环境、完成多样观测任务的能力；三是具有智能、快捷、精确地收集、管理和分析观测信息的能力，这对auv的协同控制提出了更高的要求。

3、海洋观测任务复杂多变，涉及学科繁多、作业环境恶劣，传统技术手段局限性较强。在面对海洋多变环境和多样任务时，搭载有限种类和一定数量传感器的单个航行器作用往往是较为有限的，所以水下无人系统的协同观测是未来海洋观测的发展趋势，这对于水下技术发展和海洋的建设具有重要意义。

4、目前，虽然有部分针对无人平台的组网观测研究，但是仍然比较缺乏面向上述提到的海洋观测特点的具体研究。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明主要针对海洋观测场景中的集群协同观测问题，从分布式协同控制架构出发，根据海洋观测场景的特点，设计了集群的通信组网协议与协同控制器，解决了海洋观测网络需要同步、立体和灵活的问题，满足了海洋观测集群协同控制中需要更加稳定可靠的要求，使得海洋观测系统可以敏捷、高效和稳定的完成观测任务。

2、本发明提供一种无人潜水器集群分布式敏捷协同控制方法及其系统。该方法通过设置面向海洋观测场景的auv敏捷协同控制架构、通信网络模型与协议，并设置敏捷协同控制器，将现有相关技术融入应用场景，使自主水下航行器具备敏捷响应能力，能够快速加入海洋观测网络。

3、本发明第一个目的是提供一种无人潜水器集群分布式敏捷协同控制方法，用于控制多个无人潜水器对海洋进行观测，包括：

4、根据海洋观测的场景构建多个无人潜水器的分布式协同控制架构；

5、根据执行的任务对多个无人潜水器进行编队；

6、根据分布式协同控制架构以及无人潜水器的编队，构建分布式协同控制架构中各节点之间的网络通信模型；

7、根据分布式协同控制架构确定多个无人潜水器的编队队形；

8、选取多个无人潜水器的行走方式；根据行走方式获取整体期望路径；

9、根据整体期望路径设计虚拟领航者，并得到虚拟领航者的期望路径；

10、获取每个无人潜水器与虚拟领航者的相对队形向量；

11、根据虚拟领航者的期望路径和相对队形向量获取每个无人潜水器的期望路径；

12、建立每个无人潜水器的运动学模型和动力学模型；

13、每个无人潜水器根据运动学模型和动力学模型按照编队队形和对应的期望路径进行航行，并根据网络通信模型进行通信，完成海洋观测任务。

14、优选的，所述分布式协同控制架构中包括海洋表面节点、海洋底部节点以及海洋内中间节点；多个所述无人潜水器作为中间节点。

15、优选的，所述网络通信模型，包括：

16、根据对无人潜水器的编队设定多个无人潜水器编队的通信协议；

17、根据分布式协同控制架构建立无人潜水器的链路多址接入协议；其中，将海洋表面节点与海洋内中间节点构成一级簇，中间节点与海洋底部节点构成二级簇；

18、多个无人潜水器根据链路多址接入协议以及通信协议进行通信互联。

19、优选的，所述每个无人潜水器的期望路径为：

20、

21、式中，为以路径参数描述的第个无人潜水器的期望路径；为以路径参数描述的虚拟领航者的期望路径；为第个无人潜水器和虚拟领航者的相对队形向量；为转换矩阵，具体如下：

22、

23、其中，为期望航向角。

24、优选的，每个无人潜水器根据运动学模型和动力学模型按照编队队形和对应的期望路径进行航行时，包括：根据每个无人潜水器的期望路径和实际路径，以及运动学模型和动力学模型，设计每个无人潜水器的航行控制器；

25、通过每个航行控制器控制对应的无人潜水器按照编队队形进行航行。

26、优选的，每个无人潜水器的航行控制器，包括：

27、根据无人潜水器的实际路径和期望路径获取无人潜水器的位置项误差；

28、根据位置项误差获取无人潜水器的期望速度；

29、根据无人潜水器的期望速度和实际速度获取速度项误差，以及位置项误差，结合无人潜水器的运动学模型和动力学模型，获取无人潜水器的期望控制值；

30、通过引入无人潜水器中的执行器故障因子对无人潜水器的期望控制值进行调整，获取无人潜水器的实际控制值。

31、优选的，所述无人潜水器的期望控制值是按照以下步骤获取的：

32、将位置项误差作为变量设计第一李亚普诺夫函数；

33、根据李亚普诺夫函数定义无人潜水器的期望速度；

34、根据无人潜水器的期望速度和实际速度获取速度项误差，将该速度项误差作为变量，并结合第一李亚普诺夫函数设计第二李亚普诺夫函数；

35、根据第二李亚普诺夫函数的导数为负定，结合无人潜水器的运动学模型和动力学模型，获取无人潜水器的期望控制值。

36、优选的，所述行走方式包括往复式行走、螺旋式行走或随机式行走。

37、优选的，所述编队队形采取平行协同的方式。

38、本发明第二个目的是提供一种无人潜水器集群分布式敏捷协同控制系统，包括：

39、控制架构定义模块，用于根据海洋观测的场景构建多个无人潜水器的分布式协同控制架构；根据执行的任务对多个无人潜水器进行编队；

40、网络通信模块，用于根据分布式协同控制架构以及无人潜水器的编队，构建分布式协同控制架构中各节点之间的网络通信模型；

41、路径设计模块，用于根据分布式协同控制架构确定多个无人潜水器的编队队形；选取多个无人潜水器的行走方式；根据行走方式获取整体期望路径；根据整体期望路径设计虚拟领航者，并得到虚拟领航者的期望路径；获取每个无人潜水器与虚拟领航者的相对队形向量；根据虚拟领航者的期望路径和相对队形向量获取每个无人潜水器的期望路径；

42、航行控制模块，用于建立每个无人潜水器的运动学模型和动力学模型；每个无人潜水器根据运动学模型和动力学模型按照编队队形和对应的期望路径进行航行，并根据网络通信模型进行通信，完成海洋观测任务。

43、本发明至少具有如下有益效果：

44、本发明提供了一种无人潜水器集群分布式敏捷协同控制方法及其系统。本发明独立地为每个观测auv设计控制器来实现观测编队，采用分布式控制，每个观测auv之间需要通信实现信息交互。基于反步法设计整体思路，设计出编队路径和编队速度两部分，针对编队路径，设定位置项误差，通过李亚普诺夫函数得到速度项误差，再一步通过李亚普诺夫函数得到理想控制力。针对编队速度，设定路径跟踪速度误差，通过李亚普诺夫函数得到路径参数更新率，最后考虑执行器故障，设定估计误差，通过李亚普诺夫函数得到故障因子估计值的更新率，综合设计出最终的容错控制器。在实际编队航行的动态调整过程中，根据期望的编队速度和编队路径与实际auv的速度与位置不断比较，根据偏差值，结合auv的运动学和动力学模型去计算控制力，auv根据控制力去运动，然后再不断获取实际速度和位置，根据偏差值去进行控制，按照该方式动态调整控制力，直至误差值为0，代表各auv按照期望的编队速度和编队路径去协同运动。从而实现了无人潜水器集群分布式敏捷协同控制。

45、本发明针对海洋环境的动态复杂性及协同控制架构的实际需求，开展高实时、高动态、高可靠性的无人潜水器集群水声通信组网研究。面向分布式协同控制架构，分析集群作业的应用需求及态势特性，提取关键网络特征，设计应用驱动的网络模型。首先针对分布式协同控制架构的数据传输周期性、拓扑相对稳定等网络特征，建立吞吐量较高的固移结合的观测型网络。基于实际观测任务背景及敏捷协同网络模型，构建通信协议和网络链路多址接入协议。同时研究了执行观测任务的路径规划与编队控制问题。采用往复式行走方式，同时设计了分布式一致性跟踪控制器，实现了协同路径跟踪。

46、本发明面对当前海洋观测场景尤其是协同观测研究较少的问题，本发明主要从顶层分布式协同控制架构出发，全面分析了海洋观测场景所独具的特点，针对这些特点，给出了固移结合的观测型网络的建立方法，设计了高稳定且具备容错能力的协同控制器，较为全面且系统的对整个海洋协同观测问题进行了解决，有效连通各个关键技术，使得本发明的方法可以高效、稳定和敏捷的对观测任务做出响应。