[发明专利]基于不确定海流扰动下的多AUV分布式协同跟踪控制方法

说明书

基于不确定海流扰动下的多AUV分布式协同跟踪控制方法，包括：建立AUV运动学模型以及带有不确定海流扰动下的动力学模型，初始化系统状态、采样时间以及控制参数；设计领导者AUV基于Serret‑Frenet方法的路径跟踪控制器；提出了跟随者AUV分布式编队的运动学控制器，使其更适合水下通讯环境；针对领导者和跟随者设计的运动学控制器进行了输入‑状态稳定性分析，得多AUV系统形成分布式运动编队控制；提出了含有不确定海流扰动补偿项的多AUV系统动力学控制器。本发明提供一种基于多AUV分布式编队控制平台的能够有效减少控制器信息量的协同跟踪控制方法，同时利用神经网络方法避免了不确定海流扰动带来的影响，为海洋灾害预警预报、海洋环境保障奠定关键基础。

技术领域

本发明涉及多AUV分布式编队控制领域，尤其涉及一种基于不确定海流扰动下的多AUV分布式协同控制方法。

背景技术

随着当前世界人口剧增、环境恶化、陆地资源日趋枯竭，人类越来越认识到开发利用丰富的海洋资源是人类社会生存和持续发展的物质基础和环境条件。海平面以下压力巨大，作业环境恶劣，人们需要借助自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)来进行海洋探测、开发以及完成各类水下作业。AUV的主要特点就是它们可以在复杂的海洋环境中，无需人类干预自主的完成导航、避障、发现目标以及完成作业等一系列任务。因此，对AUV的研究不仅有重要的经济意义，在军事领域也有迫切需要。

目前，各海洋大国的许多大学和研究机构都投入了大量的人力和物力，用于研究和开发自主式水下航行器。随着海洋作业复杂性的不断提高，由于单个AUV在工作范围、工作时间、测量能力等方面的局限性，多AUV协同作业具有更好的应用前景。不同于陆地与空中的航行器编队，多AUV在编队控制中需要克服一系列的问题，如水下定位不精确，测量及通讯距离有限，AUV动力学模型复杂等。这些问题不仅影响着编队控制的性能，同时还影响了系统的稳定性，因此，需要设计针对水下通讯环境的多AUV编队控制器。除此之外，多AUV在水下过程中，必然遇到具有不确定因素的海流扰动，在海流干扰存在的和进行曲线路径跟踪时会严重影响路径跟踪控制性能。现如今，多AUV协同控制还有很大的研究空间等待着科研人员的探索，其中路径跟踪与编队控制是目前的研究热点之一，也是体现AUV智能性的重要标志之一。

基于这一认识，本发明建立了一种基于不确定海流扰动下的多AUV分布式协同跟踪控制方法。该方法同时考虑了AUV的运动学模型和动力学模型，并考虑了水下不确定海流扰动的影响，利用领导者-跟随者控制策略，将整个多AUV系统平台分为两个部分：领导者已知运动路线参数，基于Serent-Frenet坐标系实现高精度的路径跟踪控制；跟随者利用和邻居的测量信息与通讯信息(即相对信息)形成具有一定队形的运动编队，从而提高了多AUV分布式协同跟踪能力。

发明内容

为了克服现有的多AUV系统的水下定位不精确，测量及通讯距离有限等不足，本发明提供一种基于不确定海流扰动下的多AUV分布式协同跟踪控制方法，主要利用了AUV之间的相对位置信息并简化了控制器所需的信息量，实现了存在海流扰动的情况下的多AUV分布式协同跟踪控制，保证了系统的稳定性，为海洋灾害预警预报、海洋环境保障等提供新方法。

为了解决上述技术问题提出的技术方案如下：

基于不确定海流扰动下的多AUV分布式协同跟踪控制方法，包括以下步骤：基于不确定海流扰动下的多AUV分布式协同跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立AUV运动学模型以及带有不确定海流扰动下的动力学模型，初始化系统状态、采样时间以及控制参数；

1.1AUV的运动学模型表达形式为