[发明专利]有向切换拓扑下多AUV编队队形一致性控制方法

说明书

有向切换拓扑下多AUV编队队形一致性控制方法，它属于多自主式水下航行器的协调控制技术领域。本发明解决了在随机切换拓扑和编队队形变换时，现有控制方法的鲁棒性和稳定性差的问题。本发明在有向切换拓扑和变换编队队形情况下，通过反馈线性化方法将AUV运动学模型和动力学模型转化为二阶积分器形式，并在控制算法中加入水下航行器之间的相对位置信息和速度阻尼器，形成编队队形控制律。多AUV编队收敛速度提高，可以形成稳定的编队队形的速度更快，在切换拓扑和队形变换的情况下，控制器可以保持很好的稳定性和鲁棒性，多AUV系统可以收敛到期望位置。本发明可以应用于对多自主式水下航行器的协调控制。

技术领域

本发明属于多自主式水下航行器的协调控制技术领域，具体涉及有向切换拓扑下多AUV(Autonomous Underwater Vehicle，自主式水下航行器)编队队形一致性控制方法。

背景技术

自主水下航行器利用其搭载的各种传感器模块和其他任务模块，在水下资源勘测，水下扫雷，情报搜集等军事和民用领域起着重要的作用。随着执行海洋任务的难度增加，执行任务的环境变得更加复杂，单水下航行器体现出了执行任务效率低、工作范围小、系统冗余性差等不可避免的局限性。为了解决上述问题，多航行器协同执行任务成了发展的必然方向。多水下航行器协同执行任务可以增加系统的冗余性和鲁棒性，降低完成任务的成本，提高工作效率。

近些年来，许多科研人员提出了适用于不同模型的先进编队控制方法，其中更多的是将动力学模型抽象为一阶积分器，实际中，动力学模型抽象为二阶积分器更加真实。文献(CUI Rongxin,GE Sam Shuzhi,BernardVoon Ee How,et al.Leader–followerformation control of underactuated autonomous underwater vehicles[J])提出了一种基于李雅普诺夫反步法的多自主水下航行器编队协同运动控制方法。文献(QI,Xue,CAIZhi-jun.Three-dimensional formation control based on nonlinear small gainmethod for multiple underactuated underwater vehicles[J])针对在三维空间运动的欠驱动水下航行器，提出了一种分布式编队跟踪控制器。文献(R.Raja,S.Bidyadhar.Abackstepping approach for the formation control of multiple autonomousunderwater vehicles using a leader–follower strategy[J])建立了多艘由于通信故障而导致编队不完善的自主水下航行器的一致控制问题。文献(CHEN Shun,DanielW.C.Ho.Consensus control for multiple AUVs under imperfect information causedby communication faults[J])设计了一种基于反馈线性化的姿态控制器，使每个水下机器人的姿态收敛到其期望值。文献(YANG Hui,WANG Chuanfeng,Zhang Fumin.RobustGeometric Formation Control of Multiple Autonomous[C])利用一致性理论和速度通信拓扑控制多水下航行器编队保持，实现速度和航向一致性。任伟等人提出了一个二阶积分编队控制协议，为多智能体编队的固定拓扑和变换拓扑的情况提供了充分条件。