[发明专利]一种通信时延下基于人工势场法的AUV编队无死锁避碰方法

说明书

本发明属于船舶控制技术领域，具体涉及一种通信时延下基于人工势场法的AUV编队无死锁避碰方法。本发明通过在编队控制中加入了避碰相关的势场函数u_ri(t)，解决了编队变换过程中的碰撞问题；由于加入了避碰分量u_ri(t)，可能致使驱动形成编队的某一方向控制力与避碰分量u_ri(t)共线且相互抵消，AUV无法达到期望位置，从而导致死锁问题；为避免出现死锁问题，在编队控制器中增加避免死锁的分量u_rj(t)，当避碰力和驱动形成编队的某一方向控制力共线时，会产生垂直于共线方向一段时间的力，从而使得两个AUV可以产生绕行的效果，避免死锁问题的发生。本发明解决了AUV编队控制过程中可能发生的碰撞和死锁问题，使得编队可以在存在通信时延条件下稳定收敛。

技术领域

本发明属于船舶控制技术领域，具体涉及一种通信时延下基于人工势场法的AUV编队无死锁避碰方法。

背景技术

随着海洋任务需求的增加，AUV的工作环境就会变得越来越复杂，其作业的难度也随之提高，自身携带的有限资源和本身的能力不足等问题，一般无法独立完成这些任务。近年来基于多AUV水下探测系统的研究工作层出不穷，AUV编队协同作业替代单个AUV作业则可以弥补其自身能力不足的问题，编队具有更高的工作效率，特别是在导航、路径规划、协同数据采集、目标搜索等方面。

AUV编队协调控制在实际操作过程中的基础是成员之间可以完成信息的交互，即拥有互相通信的能力。但是水声通信的传输速度较慢，这限制了水声通信时的带宽，所以与无线电在陆上传输方式相比，通信时延就不能忽略。所以，通信时延是AUV编队协调作业中不可避免的难题。在编队变换的过程中会出现由于避碰算法的控制作用致使AUV无法到达期望编队位置的现象。比如AUV1和AUV2的位置为各自的期望位置，驱动力和势场力共线，并相互抵消，造成死锁现象。

对于现有死锁问题的研究成果进行检索，文献(基于匈牙利算法的多AUV编队控制研究)提出死锁问题但并未对死锁问题提出相应的解决措施。虽然死锁问题在实际环境中发生的概率较低，但引入避免死锁的分量后可以避免在某些极端环境下编队控制陷入死锁，同时加入避免死锁的分量对编队避碰的效果几乎不会产生影响。

发明内容

本发明的目的在于解决AUV编队控制过程中可能发生的碰撞和死锁问题，提供一种通信时延下基于人工势场法的AUV编队无死锁避碰方法。

一种通信时延下基于人工势场法的AUV编队无死锁避碰方法，包括以下步骤：

步骤1：对于由一个领航者、n个跟随者组成的AUV编队，AUV编队存在相同时延τ；获取编队中每个AUV的位置信息、姿态信息、速度信息和角速度信息；

步骤2：建立AUV的非线性模型并对其进行反馈线性化；

忽略横摇运动，在船体坐标系下建立全驱动AUV的三维数学模型；

其中，表示AUV在大地坐标系下的位姿向量；表示AUV在船体坐标系下的速度向量；M是惯性矩阵，包括附加质量；J(η)是变换矩阵；C(μ)是向心力和科氏力矩阵，包括附加质量产生的向心力和科氏力；D(μ)是水动力阻力和升力力矩；g(η)是恢复力和力矩向量；是在船体坐标系下的控制器输入向量；是执行机构的参数矩阵，忽略高阶非线性水动力阻尼项和横摇运动对AUV的影响；

将C(μ)μ、D(μ)μ、g(η)三项合并成一个列向量N(η,μ)表示，AUV非线性模型转化为：

为了便于模型的线性化，将上式写成如下形式，

非线性系统的输出量为位姿向量，则AUV的非线性模型为：