一种多auv同步控制器结构及设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种多AUV同步控制器的结构，由运动学控制器、一阶滤波器、动力学控制器、预估器、逼近器和比较器组成。本发明采用分布式控制结构，克服了集中式控制结构中控制器需掌握全部信息的缺点，控制器只需掌握局部信息即可实现对个体的控制，只有部分AUV接受参考目标信息，能够保证多AUV间信息的交换量最小，显著降低了信息的通信量，提高了系统的灵活性和可操作性，并且具有高度的容错性和扩展性。本发明显著降低了控制器的计算复杂性，减小了控制算法的计算负荷，使得控制器有利于实际微处理器系统如单片机或数字信号处理器的实时计算。本发明显著提高了神经网络暂态逼近效果的快速性与准确性，从而提高了系统的整体控制性能。
【专利说明】—种多AUV同步控制器结构及设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及自主水下航行器(AUV)控制领域，尤其涉及一种多AUV同步控制器结构及设计方法。
【背景技术】
[0002]二十一世纪是海洋的世纪，海洋蕴藏着丰富的生物资源和矿物资源，是人类可持续发展的战略性资源要地。自主水下航行器(AUV)作为人类认识海洋、控制海洋、保护海洋、开发海洋的重要工具，其发展一直为各海洋强国所高度重视。AUV在海洋水文监测、海底资源勘探、区域搜索与搜救、海底电缆铺设等领域发挥着重要的作用。多AUV能够满足AUV协同执行海洋作业任务的需求，完成单AUV无法胜任的复杂任务，显著地提高海洋作业效率。多AUV同步是实现多AUV编队协同运动的关键技术之一，即AUV个体通过相互通讯和信息交互实现对参考目标或参考轨迹的同步跟踪。多AUV同步控制技术对于提高水下机器人的智能化水平以及加速AUV的工业化应用具有重要的理论意义和实用价值。
[0003]在AUV同步控制方面，国内外已经取得相应的研究结果，核心的控制策略包括协同路径跟踪、协同轨迹跟踪、协同目标跟踪。从控制器结构和控制器设计方面，现有技术存在下列不足:第一，现有同步跟踪控制算法大多采用集中式控制结构，即目标信息状态是全局已知的。然而AUV水下作业一般采用水声信道进行通讯。水声信道是迄今为止最为复杂的无线通信信道之一，其固有的窄带、高噪、长时延传输等特征，使得水声通信在信号传输性能上难以满足对AUV实时控制的需求。由于水下通信带宽的限制，AUV协同的信息交互量要尽量减少，而集中式控制结构中要求AUV个体直接获得目标状态的信息，显著地增加了信息的通信量，从而导致集中式控制结构在实际应用时具有一定的局限性。第二，现有AUV控制器设计方法大多采用反推法，由于反推法在每步递推的过程中需要对虚拟控制律进行求导，导致控制器结构复杂，计算负荷大，不利于实际的工程应用。第三，针对AUV的动态不确定与环境扰动控制问题，现有方法均采用直接神经网络控制，直接神经网络控制方法根据AUV的速度跟踪误差进行在线学习，由于在起始阶段AUV速度跟踪误差一般较大，这样会影响神经网络的暂态逼近性能，容易使得控制器陷入饱和，最终导致系统整体控制性能的降低。
【发明内容】
[0004]为解决现有技术存在的不足，本发明要提出一种多AUV分布式同步跟踪控制器结构及设计方法，不仅能够显著减少信息的通信量，而且可以降低控制器结构的复杂性，减少计算负荷，还能有效提高神经网络的暂态逼近性能，从而极大地提高控制器的整体性能。
[0005]一种多AUV同步控制器的控制目标是:使得N艘AUV同步跟踪一个参考目标的给定轨迹％，若用Hi, i = 1，...，N表示AUV的位置，那么控制目标可表示为η。。
[0006]为了实现上述目的，本发明的技术方案如下:一种多AUV同步控制器的结构，由运动学控制器、一阶滤波器、动力学控制器、预估器、逼近器和比较器组成。所述的运动学控制器的输入端分别与受控AUV的输出端和通讯网络相连；运动学控制器的输出端与一阶滤波器的输入端相连；所述的一阶滤波器的两个输出端分别与动力学控制器的两个输入端相连；所述的动力学控制器的另两个输入端分别与受控AUV的输出端和逼近器的输出端相连；动力学控制器的输出端与受控AUV的输入端和预估器的输入端相连；所述的预估器的输入端还与受控AUV的输出端和逼近器的输出端相连；预估器的输出端与比较器的输入端相连；所述的比较器的输入端还与受控AUV的输出端相连；比较器的输出端与逼近器的输入端相连；逼近器的另一输入端与受控AUV的输出端相连。
[0007]所述的受控AUV满足下面的运动模型:
【权利要求】
1.一种多AUV同步控制器的结构，其特征在于:由运动学控制器、一阶滤波器、动力学控制器、预估器、逼近器和比较器组成；所述的运动学控制器的输入端分别与受控AUV的输出端和通讯网络相连；运动学控制器的输出端与一阶滤波器的输入端相连；所述的一阶滤波器的两个输出端分别与动力学控制器的两个输入端相连；所述的动力学控制器的另两个输入端分别与受控AUV的输出端和逼近器的输出端相连；动力学控制器的输出端与受控AUV的输入端和预估器的输入端相连；所述的预估器的输入端还与受控AUV的输出端和逼近器的输出端相连；预估器的输出端与比较器的输入端相连；所述的比较器的输入端还与受控AUV的输出端相连；比较器的输出端与逼近器的输入端相连；逼近器的另一输入端与受控AUV的输出端相连； 所述的受控AUV满足下面的运动模型:
0 0 1.为载体坐标系和惯性坐标系之间的转移矩阵；用Z3表示三维向量，Z3x3表示3X3阶矩阵；Hi= [xi； Yi, &]T e Z3代表惯性坐标系下AUV的位置信号，其中Xi表示在惯性坐标系下X轴方向的坐标，Ii表示惯性坐标系下I轴方向的坐标，Vi表示惯性坐标系下的首摇角；Vi= [ui； u ” ri]T e Z3代表载体坐标系下AUV的速度信号，其中Ui表示载体坐标系下的纵荡速度，u i表示载体坐标系下的横荡速度，r,表示载体坐标系下的首摇角速度；Mi = Mj E Z3x3代表惯性矩阵A (Vi) e Z3x3代表科里奥利向心矩阵办(Vi) e Z3x3代表非线性阻尼矩阵；gi (Hi) e Z3x3是由浮力和重力共同作用所引起的回复力与回复力矩的向量；τ i = [Tiu, τ Ju, τ ir]T E Z3是AUV的控制信号,其中τ iu, τ τ ir分别表示对AUV的纵荡速度、横荡速度、首摇角速度的控制信号；τ iw(t) = [ τ iwu, τ iwu, τ iwr]T e Z3代表时变风浪流对AUV造成的扰动，其中Tiwu，Tiwu, Tiw分别代表时变风浪流对AUV的纵荡速度、横荡速度、首摇角速度的扰动； 所述的通讯网络的通讯结构如下: 把N艘AUV看作节点Ii1,...，nN，将参考目标作为节点％，那么N艘AUV的通讯结构用单向图Ξ = { Λ，ε }表示,其中Λ = {n0, Ii1,...，ηΝ}表示节点集合，ε = {(n^ n」)e Λ X Λ }表示节点Iii到节点rij存在信息传递；所述的单向图Ξ = { Λ，ε }须满足从节点Iici到任意节点都存在唯一路径；路径是指由不重复节点构成的序列，且其中任意相邻节点集属于集
O口 t.0
2.—种多AUV同步控制器的设计方法，其特征在于:包括以下步骤: A、运动学控制器的设计 运动学控制器的输入信号包括受控AUV的输出位置信号Jii ;当第j艘AUV信息传递给第i艘AUV时，输入信号还包括第j艘AUV的输出位置信号Π j和速度信号V ^当受控AUV与参考目标有通讯时，输入信号还包括参考目标的位置信号η ο和速度信号% ；所述的输入信号经过以下计算
得到运动学控制器的输出信号a i，其中\.表示AUV间的通信关系，若第j艘AUV信息传递给第i艘AUV，则au = I，其他情况则au = O ；ai0表示第i艘AUV与参考目标的通信关系，右参考目标彳目息传递给弟i艘AUV，则Sid = I，其他情况则
=diag{km，kil2, kil3} e Z3x3是待设计常数；R(￥i)> R(Fj)分别表示第i艘和第j艘AUV的载体坐标系和惯性坐标系之间的转移矩阵，矿(^)、矿(1^)分别表示R(Vi)和R(Vj)的转置矩阵； B、一阶滤波器的设计 一阶滤波器的输入信号为运动学控制器的输出信号a i，经过下列滤波器
得到一阶滤波器的输出信号〃1(1和1^，其中Yi>o为常值； C、比较器的设计 比较器的输入信号是受控AUV的输出速度信号Vi和预估器的输出信号i经以下计算
得到比较器的输出信号 D、逼近器的设计 逼近器的输入信号是受控AUV的输出位置信号Jl1、速度信号Vi和比较器的输出信号 引入一个未知的参数矩阵Wi(t)，并满足
是正常数；再引入一个已知的激励函数矩阵
€=[l，,7,F，v,rf ,并满足供.治)<<, <是正常数；定义兩(?)是Wi⑴的估计，设计的更新率为
其中riW e z，kw e Z是正常数； 最后得到逼近器的输出为吃IE、预估器的设计 预估器的输入信号包括动力学控制器的输出信号T1、受控AUV的输出速度信号ViW及逼近器的输出信号，经过以下计算
得到预计器的输出信号1?，其中ki2 = diag{ki21, ki22, ki23} e Z3x3, κ η =diag{ κ m，κ il2, κ il3} e Z3x3 -Mi e Z3x3 是已知的惯性矩阵； F、动力学控制器的设计 动力学控制器的输入信号包括一阶滤波器的输出信号V ^和匕、受控AUV的输出速度信号Vi以及逼近器的输出信号WTiφi(ζi)经过以下计算
得到动力学控制器的输出信号τ i，作为受控AUV的控制输入。
【文档编号】G05B13/04GK104133375SQ201410400499
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年8月14日 优先权日:2014年8月14日
【发明者】彭周华, 刘陆, 王丹, 王昊, 王巍, 刁亮 申请人:大连海事大学