[发明专利]一种UUV集群中UUV个体的绿色动态控位方法

权利要求书

1.一种UUV集群中UUV个体的绿色动态控位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据作业任务要求，设定UUV在定深处航行时在作业区域的目标定位点，记录该目标定位点的经度、纬度以及航向信息；

步骤2：在水平面内，以UUV目标定位点为圆心，分别以R₁和R₂为半径作圆，将作业区域划分为Ⅰ级工作区域、Ⅱ级工作区域和Ⅲ级工作区域；半径R₁和R₂根据作业任务要求设定，且R₁＜R₂；所述的Ⅰ级工作区域为以UUV目标定位点为圆心，以R₁为半径的圆形区域；所述的Ⅱ级工作区域为以UUV目标定位点为圆心，以R₁和R₂为半径的两个圆形之间的圆环区域；作业区域内除Ⅰ级工作区域和Ⅱ级工作区域以外的部分均为Ⅲ级工作区域；

步骤3：开始动态控位任务，实时在线更新UUV的运动状态信息，记录UUV当前经度、纬度、航向、速度以及各控制量信息；根据UUV当前位置与目标定位点的经纬度信息，实时计算两点间距离r；

步骤4：判断UUV是否处于Ⅲ级工作区域：若r≤R₂，则判定UUV不处于Ⅲ级工作区域，执行步骤5；否则，UUV采取Ⅲ级控制模式，以最小能耗指标，使用粒子群算法计算UUV位置和航向的全局最优规划方案；

步骤5：判断UUV是否处于Ⅱ级工作区域：若r＜R₁，则判定UUV不处于Ⅱ级工作区域，执行步骤6；否则，UUV采取Ⅱ级控制模式，按偏差指标，使用模型预测控制算法，实时滚动求解UUV位置和航向的最优控制量；

步骤6：若UUV收到任务结束指令，则UUV结束任务；否则，UUV采取Ⅰ级控制模式，按偏差指标，使用模型预测控制算法，实时滚动求解UUV航向的最优控制量，对位置不进行控制，并在每一拍求解出UUV航向的最优控制量后跳转至步骤3。

2.根据权利要求1所述的一种UUV集群中UUV个体的绿色动态控位方法，其特征在于：所述的步骤4中UUV采取Ⅲ级控制模式，以最小能耗指标，使用粒子群算法计算UUV位置和航向的全局最优规划方案的方法具体为：

设定UUV的运动包含匀加速-匀速-匀减速三段，UUV到达目标定位点时的速度为0；待优化的单目标函数为：

其中，τ₁和τ₂为权重系数；ρ为海水密度；为海流对UUV纵向上产生的干扰力；为海流对UUV横向上产生的干扰力；α_c为海流相对UUV的流向角；C_X(α_c)为流向角α_c对应的纵向海流阻力系数；C_Y(α_c)为流向角α_c对应的横向海流阻力系数；A_TS为UUV纵向迎流面积；A_LS为UUV横向迎流面积；V_c为海流速度；s_x为UUV在海流作用下沿x轴的航行距离；s_y为UUV在海流作用下沿y轴的航行距离；l为UUV初始位置距目标定位点的距离；待优化求解的变量为a₁、a₂、v_max；v_max为UUV匀速段的速度；

根据上述目标函数，利用粒子群算法对其进行优化求解，将种群大小、各粒子的分布位置和飞行速度作为系统输入；粒子的速度和位置的更新公式为：

其中，c₁，c₂为学习因子；ω为惯性因子；具体步骤如下：

步骤4.1：将设定的初始化种群大小，随机初始化各粒子的分布位置和飞行速度；

步骤4.2：根据以能耗为评价指标的目标函数J，计算所有粒子当前位置的能耗指标，并记录在每个粒子的中；比较每个粒子的能耗指标大小，将当前整个群体中的最优个体的能耗指标最优值及该个体的位置存储在gbest中；

步骤4.3：根据粒子更新公式，更新各粒子的位置及速度，并重新计算新产生粒子的能耗指标；

步骤4.4：比较各个粒子的能耗指标和前一个存储下来的pbest大小，若当前粒子的能耗指标更小，则更新pbest为当前能耗指标；

步骤4.5：比较当前迭代过程获得的所有pbest和上一个迭代周期记录的gbest，若存在当前的pbest比上一个迭代周期的gbest更优，更新gbest为该pbest；

步骤4.6：循环进行步骤4.3和步骤4.4，直到满足终止条件；

上述粒子群优化过程，最终输出为拥有最小能耗指标的粒子，再由粒子群寻优得到的最优能耗指标，得出UUV在距离目标定位点较远距离时，UUV速度及加速度的最优规划方案；由上述关于加速度的最优规划方案，可推知UUV在各阶段受到的合外力大小，再结合已知的环境信息及力的分解与合成原理，可求得相应阶段的UUV推力规划方案，保持执行该方案对UUV位置和航向均进行控制，直至UUV进入Ⅱ级工作区域。

3.根据权利要求1或2所述的一种UUV集群中UUV个体的绿色动态控位方法，其特征在于：所述的步骤5中UUV采取Ⅱ级控制模式，按偏差指标，使用模型预测控制算法，实时滚动求解UUV位置和航向的最优控制量的方法具体为：

各UUV单体的一般运动形式为低速运动，机动性要求较弱，并且UUV的运动趋势可以根据自身的当前状态、执行机构的输出以及由传感器所感知的环境信息进行适当估计，以控制偏差作为输入，执行机构控制量作为输出；采用改进的广义预测控制考虑UUVⅡ级工作区域动态控位的控制器设计；性能指标函数为：

其中，R₁、R₂分别为柔性守位区和刚性守位区半径，R₁＜R₂；C₁、C₂为根据经验设定的常数，C₁＜C₂；n为预测长度，s为控制长度，1n,s≤n；λ为控制加权系数；y(k)为实际输出的控制量；y(k+j)为UUV的未来输出控制量；Δu(k+j)＝0，j＝h,…,n，表示s个节拍后控制量不再产生变化；y_d为系统给定的期望状态；T_a为系统的采样周期；

利用粒子群优化算法，求解上述性能指标函数的最小值，得到优选的控制序列：

ΔU＝[Δu(k),Δu(k+1),…,Δu(k+s-1)]^T

由于每次对UUV实施上述控制时，只采用了控制序列ΔU中的第一个控制量Δu(k)，故可采用下式对UUV未来时刻的输出进行预测：

其中，表示在t＝kT时刻，有Δu(k)作用下的未来p个时刻UUV控制系统预测的控制输出，Y_p0表示在t＝kT时刻，无Δu(k)作用下的未来p个时刻UUV控制系统预测的控制输出，Y_p0＝[y₀(k+1),y₀(k+2),…,y₀(k+p)]^T；a＝[a₁,a₂,…,a_p]^T为在各采样时刻，单位阶跃响应的值；

由于UUV协同观探测任务环境及UUV本身的模型不确定性，在k个时刻的控制输出作用后，UUV在k+1时刻的实际控制输出y(k+1)与预测的系统输出并不一定相等，因此就构成预测误差：

根据以上预测误差对其他未来时刻的预测值进行加权修正，得到：

其中，是在t＝(k+1)T时刻，经过预测误差校正后预测的t＝(k+1)T时刻的控制输出量，h为预测误差校正矢量，h＝[h₁,h₂,…,h_p]^T，h₁＝1；

将经反馈校正后的作为UUV广义预测动态控位系统下一时刻的预测初值，则由于在预测t＝(k+2)T，…，t＝(k+p+1)T时刻的输出值时利用了t＝(k+1)T时刻的控制预测初值，因此令

可由上式对得出下一时刻的预测值，在进行过Δu(k)控制作用后，采集k+1时刻的控制输出信息，并开始新一轮的预测、校正、优化，使得该UUV动态控位系统成为了一个闭环的负反馈系统；由实时持续输出的UUV执行机构控制量，对UUV的位置、航行进行实时控制，直到UUV到达Ⅰ级工作区域内的目标定位点。