本發(fā)明屬于導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制領(lǐng)域，特別是涉及一種水下航行器自主式導(dǎo)航-跟蹤-避障一體化的方法。

背景技術(shù)：

1、隨著資源勘探和海洋開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，相關(guān)研究對(duì)于水下無(wú)人航行器的需求日益增大。自主式水下航行器的技術(shù)核心包括編隊(duì)控制技術(shù)、自主導(dǎo)航技術(shù)、傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及人工智能技術(shù)等。這些先進(jìn)技術(shù)使得水下無(wú)人航行器能夠在海洋和河流的各種環(huán)境中高效、靈活且安全地工作，相較于有人駕駛的航行器和船只具有更多優(yōu)勢(shì)。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步和優(yōu)化，同時(shí)也在日益增長(zhǎng)的需求和市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，自主式水下航行器將持續(xù)快速地發(fā)展。但是現(xiàn)階段水下航行器在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中仍存在較大的損毀風(fēng)險(xiǎn)，隨著現(xiàn)代化智能控制技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展，水下任務(wù)也逐漸趨于復(fù)雜化，使得水下航行器迫切需要應(yīng)對(duì)復(fù)雜航行環(huán)境的能力。

2、模型預(yù)測(cè)控制(model?predictive?control,mpc)是目前唯一能顯示處理約束的控制算法，相較于其他控制策略，模型預(yù)測(cè)控制具有以下突出優(yōu)勢(shì)：(1)mpc的迭代優(yōu)化過(guò)程使其控制性能達(dá)到最優(yōu)；(2)mpc在具體工程實(shí)施中能夠有效處理控制約束和狀態(tài)約束，并通過(guò)反饋控制提高系統(tǒng)性能。同時(shí)，mpc是目前處理非線性控制問(wèn)題最有效的方法，將mpc引入水下航行器的編隊(duì)控制中，可以為許多實(shí)際問(wèn)題提供理想的解決方案，但基于mpc的編隊(duì)控制方法與傳統(tǒng)的編隊(duì)控制策略之間產(chǎn)生控制輸入的方式本質(zhì)上是不同的，因此仍需開(kāi)展相關(guān)研究。在具體的工程應(yīng)用中，控制系統(tǒng)的狀態(tài)值和輸入值往往存在上限范圍，即存在系統(tǒng)約束，然而傳統(tǒng)控制理論往往忽略約束影響。在多水下航行器編隊(duì)的控制研究中，需要考慮多種系統(tǒng)約束和環(huán)境約束，模型預(yù)測(cè)控制成為解決該問(wèn)題的有效方法。

3、人工勢(shì)場(chǎng)法因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈活性強(qiáng)，便于與其他控制方法相結(jié)合的特點(diǎn)，在水下航行器編隊(duì)領(lǐng)域受到廣泛應(yīng)用。人工勢(shì)場(chǎng)法通過(guò)在目標(biāo)點(diǎn)和障礙物影響區(qū)域建立虛擬引力場(chǎng)和虛擬斥力場(chǎng)的方式，引導(dǎo)水下航行器進(jìn)行避障。但是，現(xiàn)階段的人工勢(shì)場(chǎng)法由于目標(biāo)點(diǎn)引力和障礙物斥力相抵消的問(wèn)題，時(shí)常出現(xiàn)零勢(shì)能點(diǎn)，使水下航行器進(jìn)入局部最小值狀態(tài)。因此，針對(duì)航行器在復(fù)雜障礙物環(huán)境中的自主式導(dǎo)航避障研究具有廣泛的現(xiàn)實(shí)意義和工程價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種自主式導(dǎo)航-跟蹤-避障一體化方法，從而降低水下航行器在復(fù)雜障礙物環(huán)境中發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，使航行器能夠順利完成各種復(fù)雜的水下任務(wù)。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種水下航行器自主式導(dǎo)航-跟蹤-避障一體化方法，包括：

3、建立編隊(duì)控制策略以及編隊(duì)信息流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

4、建立全驅(qū)動(dòng)水下航行器運(yùn)動(dòng)學(xué)以及動(dòng)力學(xué)模型；

5、建立動(dòng)態(tài)障礙物運(yùn)動(dòng)模型；

6、建立模型預(yù)測(cè)控制方法系統(tǒng)控制模型；

7、設(shè)計(jì)改進(jìn)的人工勢(shì)場(chǎng)函數(shù)；

8、在避障軌跡處基于擴(kuò)展卡爾曼濾波對(duì)航行器軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)，優(yōu)化避障軌跡，實(shí)現(xiàn)水下航行器導(dǎo)航-跟蹤-避障一體化。。

9、可選地，建立編隊(duì)控制策略以及編隊(duì)信息流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括：基于分布式控制策略和有向圖點(diǎn)集理論，構(gòu)建鄰接矩陣。

10、可選地，建立全驅(qū)動(dòng)水下航行器運(yùn)動(dòng)學(xué)以及動(dòng)力學(xué)模型過(guò)程包括：根據(jù)水平面運(yùn)動(dòng)假設(shè)，再次將其運(yùn)動(dòng)模型簡(jiǎn)化為二維運(yùn)動(dòng)，建立航行器的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和動(dòng)力學(xué)方程。

11、可選地，建立動(dòng)態(tài)障礙物運(yùn)動(dòng)模型包括：將動(dòng)態(tài)障礙物簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)模型，將常見(jiàn)的水下動(dòng)態(tài)障礙物運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化。

12、可選地，建立模型預(yù)測(cè)控制方法系統(tǒng)控制模型包括：建立離散化系統(tǒng)狀態(tài)空間模型和預(yù)測(cè)模型，并根據(jù)其設(shè)計(jì)滾動(dòng)優(yōu)化和反饋控制。

13、可選地，設(shè)計(jì)改進(jìn)的人工勢(shì)場(chǎng)函數(shù)包括：建立人工勢(shì)場(chǎng)并對(duì)其求偏導(dǎo)，得到人工勢(shì)函數(shù)。

14、可選地，在避障軌跡處基于擴(kuò)展卡爾曼濾波對(duì)航行器軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)包括：建立離散化卡爾曼濾波方程，基于避障軌跡量測(cè)值對(duì)其軌跡進(jìn)行優(yōu)化。

15、有益效果：

16、本發(fā)明基于對(duì)水下動(dòng)態(tài)障礙物的研究與分析，針對(duì)水下航行器避障軌跡建立了擴(kuò)展卡爾曼濾波預(yù)測(cè)機(jī)理，一定程度上解決了避障軌跡在勢(shì)場(chǎng)邊界震蕩的問(wèn)題，優(yōu)化了避障軌跡，提高了編隊(duì)避障安全性。同時(shí)算法能夠精確控制編隊(duì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)避障，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)特征：

1.一種水下航行器自主式導(dǎo)航-跟蹤-避障一體化方法，其特征在于，

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下航行器自主式導(dǎo)航-跟蹤-避障一體化方法，其特征在于，

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下航行器自主式導(dǎo)航-跟蹤-避障一體化方法，其特征在于，

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下航行器自主式導(dǎo)航-跟蹤-避障一體化方法，其特征在于，

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下航行器自主式導(dǎo)航-跟蹤-避障一體化方法，其特征在于，

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下航行器自主式導(dǎo)航-跟蹤-避障一體化方法，其特征在于，

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下航行器自主式導(dǎo)航-跟蹤-避障一體化方法，其特征在于，

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種水下航行器自主式導(dǎo)航?跟蹤?避障一體化方法，包括：建立全驅(qū)動(dòng)水下航行器動(dòng)力學(xué)模型與信息流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；基于模型預(yù)測(cè)控制方法實(shí)現(xiàn)水下航行器的隊(duì)形控制和協(xié)同運(yùn)動(dòng)；基于改進(jìn)的人工勢(shì)場(chǎng)法實(shí)現(xiàn)水下航行器的自主式避障控制；在障礙物影響范圍內(nèi)基于擴(kuò)展卡爾曼濾波對(duì)航行器量測(cè)軌跡進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化避障軌跡，從而實(shí)現(xiàn)水下航行器的導(dǎo)航?跟蹤?避障一體化。基于對(duì)水下動(dòng)態(tài)障礙物的研究與分析，針對(duì)水下航行器避障軌跡建立了擴(kuò)展卡爾曼濾波預(yù)測(cè)機(jī)理，一定程度上解決了避障軌跡在勢(shì)場(chǎng)邊界震蕩的問(wèn)題，優(yōu)化了避障軌跡，提高了編隊(duì)避障安全性。同時(shí)算法能夠精確控制編隊(duì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)避障，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)研發(fā)人員：徐博,左一兵,劉鵬,王朝陽(yáng),李想
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱工程大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10