本發(fā)明屬于自主水下航行器控制，具體涉及一種海底飛行節(jié)點(diǎn)的群簇同步控制方法。

背景技術(shù)：

1、自主水下航行器(autonomous?underwater?vehicle，auv)由于優(yōu)異的性能成為研究的熱點(diǎn)，隨著對(duì)auv的研究的深入，auv的應(yīng)用范圍也變得廣泛。auv不僅在海底資源的取樣和采集中發(fā)揮著重要作用，還可以完成水下設(shè)施的維護(hù)、水下地形測(cè)繪等工作。其中，海底飛行節(jié)點(diǎn)(ocean?bottom?flying?node，obfn)屬于一類拓展型號(hào)的auv，其模型如圖1所示。

2、海上任務(wù)存在復(fù)雜性和多樣性，為了同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，并且提高執(zhí)行任務(wù)的效率，需要將多auv系統(tǒng)劃分為多個(gè)子組，每組auv執(zhí)行不同的跟蹤任務(wù)。如當(dāng)需要在大范圍海域進(jìn)行搜索和勘測(cè)時(shí)，將auv劃分為多個(gè)子組可以同時(shí)覆蓋不同區(qū)域，提高搜索效率。但由于高度非線性、交叉耦合和外部的洋流擾動(dòng)，這些會(huì)對(duì)auv的運(yùn)動(dòng)軌跡造成隨機(jī)偏差。因此，將auv的位置控制在預(yù)期的范圍內(nèi)非常重要，這就要對(duì)auv的控制精度提出了進(jìn)一步的要求。

3、auv系統(tǒng)中存在外界擾動(dòng)和非線性模型不確定性。常見的處理方法是假設(shè)影響系統(tǒng)穩(wěn)定的因素存在常數(shù)值上界，并對(duì)這一常數(shù)進(jìn)行估計(jì)，這一方法精度較低，穩(wěn)定性較差；或是為上述因素分別考慮，設(shè)計(jì)算法對(duì)其進(jìn)行控制，但會(huì)增加計(jì)算的復(fù)雜性。近年來，出現(xiàn)了一種將外界擾動(dòng)和非線性模型不確定性等因素整合，視為系統(tǒng)的一般不確定性，并用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行估計(jì)逼近。但這一方法對(duì)auv的控制精度有限，隨著對(duì)auv作業(yè)要求的逐漸提高，單純的多auv編隊(duì)控制已無法實(shí)現(xiàn)人們的控制需求，越來越多的研究開始涉及如何提升多auv系統(tǒng)的控制精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了解決obfn的群簇同步控制存在控制精度有限和穩(wěn)定性較差的問題。

2、一種海底飛行節(jié)點(diǎn)的誤差約束群簇同步控制方法，包括：

3、s1、基于海底飛行節(jié)點(diǎn)obfn的動(dòng)力學(xué)模型，得到含有干擾的obfn的模型：

4、

5、

6、其中，下標(biāo)i表示多obfn系統(tǒng)中第i個(gè)obfn對(duì)應(yīng)的參數(shù)，mηi、crbηi、caηi、dηi、gηi表示第i個(gè)obfn對(duì)應(yīng)的mη＝mj-1、caη＝ca(vr)j-1、dη＝d(vr)j-1、gη＝g(η)，vr＝v-vc，vr是obfn相對(duì)于海流的速度，vc是運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系下海流的速度；m為質(zhì)量慣性矩陣，j是大地坐標(biāo)系與運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，crb是剛體的科氏力和向心力矩陣，ca是附加質(zhì)量的科氏力和向心力矩陣，d是水動(dòng)力阻尼矩陣，gη為重力和浮力產(chǎn)生的力和力矩向量，參數(shù)下標(biāo)η表示大地坐標(biāo)系下的參數(shù)；vηi＝j(luò)i(ηi)vi表示大地坐標(biāo)系下的速度，vi表示第i個(gè)obfn在隨體坐標(biāo)系的速度，v＝[u,v,w,p,q,r]t為運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系下的速度與角速度；為ηi一階導(dǎo)數(shù)，參數(shù)上面的·均表示對(duì)應(yīng)參數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)，ηi是第i個(gè)obfn的η，η＝[x,y,z,φ,θ,ψ]t表示usv在大地坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)和艏搖角組成的向量；fi為模型不確定性和外界干擾組成的廣義干擾；τi為第i個(gè)obfn的推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的控制力和力矩；廣義干擾fi采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)φi逼近的方式進(jìn)行處理；

7、基于obfn的模型，采用群簇同步控制器對(duì)obfn群簇進(jìn)行同步控制；所述群簇同步控制器如下：

8、群簇同步控制律：

9、τi＝τi1+τi2+τi3

10、

11、

12、

13、其中，是第σi個(gè)簇vσi的子集；中的obfn系統(tǒng)從其它群簇的obfn接收信息，牽制控制需要減弱來自其它群簇的obfn的影響；di＝0表示第i個(gè)obfn無法從其它obfn接收信息；選擇這些obfn作為牽制節(jié)點(diǎn)；為ωi的估計(jì)值，自適應(yīng)律為為的估計(jì)值，δi為正常數(shù)；定義為位置誤差和速度誤差，ησi表示第i個(gè)obfn的期望位置和姿態(tài)量；vησi表示表示第i個(gè)obfn的期望速度和角速度量；角標(biāo)σi用于表示第σi簇的期望值；υ＝diag[ρi(t)]，r＝diag[ri]，i＝1,...,n，n表示obfn的數(shù)量；ρi(t)為性能函數(shù)，δi為調(diào)節(jié)參數(shù)，δi、表示δi的上下界；s(·)是一個(gè)光滑函數(shù)。

14、進(jìn)一步地，性能函數(shù)其中，ρi0、ρi∞和是正常數(shù)，t為時(shí)間。

15、進(jìn)一步地，性能函數(shù)ρi(t)滿足以下時(shí)變約束：

16、

17、其中，t≥0并且δi為調(diào)節(jié)參數(shù)，δi、表示δi的上下界，i＝1,...,n。

18、進(jìn)一步地，光滑函數(shù)

19、進(jìn)一步地，海底飛行節(jié)點(diǎn)obfn的動(dòng)力學(xué)模型如下：

20、

21、式中，τ為推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的控制力和力矩。

22、進(jìn)一步地，廣義干擾fi采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)φi逼近的方式進(jìn)行處理的形式如下：

23、

24、其中，表示的fi估計(jì)值，即采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近的fi，為權(quán)值矩陣的估計(jì)值，為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入，ei＝ηi-ησi表示跟蹤誤差。

25、進(jìn)一步地，所述φi(zi)采用高斯基函數(shù)。

26、進(jìn)一步地，廣義干擾其中fi為模型不確定性和外界干擾組成的廣義干擾，di表示洋流擾動(dòng)，表示由于obfn模型不確定而產(chǎn)生擾動(dòng)，δmηi、δcrbηi、δdηi、δgηi分別表示由于系統(tǒng)不確定性而產(chǎn)生的mηi、crbηi、dηi、gηi各自對(duì)應(yīng)的不確定值。

27、有益效果：

28、本發(fā)明針對(duì)obfn的群簇同步控制問題，綜合考慮外部擾動(dòng)與模型不確定性的影響，提出一種基于牽制控制和預(yù)設(shè)性能的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，來實(shí)現(xiàn)對(duì)obfn的誤差約束群簇同步控制，能夠有效解決針對(duì)obfn的群簇同步控制的穩(wěn)定性差的問題，同時(shí)還能夠提高控制精度。通過仿真得到的結(jié)果如下圖3和圖4顯示了本發(fā)明中設(shè)計(jì)的控制律對(duì)多obfn系統(tǒng)的群簇一致性控制效果，圖中的各條曲線分別表示虛擬領(lǐng)航者obfn和跟隨者obfn在六個(gè)自由度上的位姿狀態(tài)；圖5和圖6顯示了本發(fā)明中設(shè)計(jì)的控制律對(duì)位置誤差和姿態(tài)誤差的約束效果，圖中的各條曲線分別表示各個(gè)跟隨者obfn在六個(gè)自由度上的位姿狀態(tài)與期望狀態(tài)的差值，始終約束著誤差的兩條曲線為設(shè)定的約束邊界曲線。

技術(shù)特征：

1.一種海底飛行節(jié)點(diǎn)的誤差約束群簇同步控制方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種海底飛行節(jié)點(diǎn)的誤差約束群簇同步控制方法，其特征在于，性能函數(shù)其中，ρi0、ρi∞和是正常數(shù)，t為時(shí)間。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種海底飛行節(jié)點(diǎn)的誤差約束群簇同步控制方法，其特征在于，性能函數(shù)ρi(t)滿足以下時(shí)變約束：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種海底飛行節(jié)點(diǎn)的誤差約束群簇同步控制方法，其特征在于，光滑函數(shù)

5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任意一項(xiàng)所述的一種海底飛行節(jié)點(diǎn)的誤差約束群簇同步控制方法，其特征在于，海底飛行節(jié)點(diǎn)obfn的動(dòng)力學(xué)模型如下：

6.根據(jù)權(quán)利要求1至4任意一項(xiàng)所述的一種海底飛行節(jié)點(diǎn)的誤差約束群簇同步控制方法，廣義干擾fi采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)φi逼近的方式進(jìn)行處理的形式如下：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種海底飛行節(jié)點(diǎn)的誤差約束群簇同步控制方法，其特征在于，所述φi(zi)采用高斯基函數(shù)。

8.根據(jù)權(quán)利要6的一種海底飛行節(jié)點(diǎn)的誤差約束群簇同步控制方法，其特征在于，廣義干擾其中fi為模型不確定性和外界干擾組成的廣義干擾，di表示洋流擾動(dòng)，表示由于obfn模型不確定而產(chǎn)生擾動(dòng)，δmηi、δcrbηi、δdηi、δgηi分別表示由于系統(tǒng)不確定性而產(chǎn)生的mηi、crbηi、dηi、gηi各自對(duì)應(yīng)的不確定值。

技術(shù)總結(jié)
一種海底飛行節(jié)點(diǎn)的誤差約束群簇同步控制方法，屬于自主水下航行器控制技術(shù)領(lǐng)域。為了解決OBFN的群簇同步控制存在控制精度有限和穩(wěn)定性較差的問題，本發(fā)明采用基于Fossen大綱六自由度非線性模型，在存在外部擾動(dòng)和模型不確定性的情況下設(shè)計(jì)控制器τ，使位置與姿態(tài)量仍然能夠跟蹤期望值并使跟蹤誤差有預(yù)先給定的動(dòng)態(tài)性能及穩(wěn)態(tài)響應(yīng)情況，基于牽制控制和預(yù)設(shè)性能方法的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)OBFN的群簇同步控制。本發(fā)明用于海底飛行節(jié)點(diǎn)的誤差約束群簇同步控制。

技術(shù)研發(fā)人員：宋裕恒,李家雨,孫延超,王宇揚(yáng),郭琪,李林珺仁,趙一鵬,申思行,李昊陽,張濟(jì)宇,劉顯寧,秦洪德
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