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申请/专利权人：哈尔滨工程大学

摘要：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urit，解决了编队变换过程中的碰撞问题；由于加入了避碰分量urit，可能致使驱动形成编队的某一方向控制力与避碰分量urit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urjt，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。

主权项：1.一种通信时延下基于人工势场法的AUV编队无死锁避碰方法，其特征在于，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；Jη是变换矩阵；Cμ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；Dμ是水动力阻力和升力力矩；gη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Cμμ、Dμμ、gη三项合并成一个列向量Nη,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： 其中，hξ＝x,y,z,θ,ψT；gξ＝M1g′；根据Lie导数可知： 可得一阶Lie导数Lfhξ，Lghξ具有如下形式： 根据二阶Lie导数的定义，可知： 二阶Lie导数LgLfhξ具有如下形式： 该模型的相对阶之和为：ρ1+ρ2+ρ3+ρ4+ρ5＝10，其中ρ1＝ρ2＝ρ3＝ρ4＝ρ5＝2，即相对阶的和等于系统的阶数10；可知该AUV模型可以进行精确反馈线性化，并且有解；选择坐标变化如下： 将Lie导数代入可得： 令那么在新的坐标转换下实际的控制输入为： 得到AUV线性化数学模型为： 编队中所有AUV具有相同的非线性模型，所以编队中其他AUV可以进行相同的反馈线性化，经过转换后的第i个AUV线性化数学模型为： 其中，0≤i≤n，i＝0表示领航者AUV，i＝1,2,...,n表示第i个跟随者AUV； 步骤3：设计存在时延下的多AUV编队队形一致性控制器；步骤3.1：AUV编队存在相同时延τ，考虑编队时延后，多AUV编队队形一致性控制器表示为：其中，α表示位置增益；β是速度增益；σlt和vlt分别是编队中领航者的位姿和速度状态；aijt表示第i个跟随者AUV与第j个跟随者AUV之间的通信关系；cilt表示第i个跟随者AUV与领航者AUV之间的通信关系；Ni为第i个AUV的邻域； 步骤3.2：解决编队变换过程中的碰撞问题，设计控制器中避碰相关的势场函数；设Δij表示两个AUV之间的相对距离，r表示AUV的安全距离，R是产生斥力区域的半径，AUVi＝xit,yit,zit表示第i个AUV的坐标，AUVj表示第j个AUV的坐标信息，具体的势能函数为： 其中，kr是势能函数的控制增益，通过调整控制增益kr使AUV控制更加的平滑，从而使避碰效果更理想；对势能函数Uij求梯度函数得到第i个AUV对第j个AUV的势场力： 其中，Pi＝[ΔxΔyΔz]T，Δx＝xit-xjt，Δy＝yit-yjt，Δz＝zit-zjt，并且则沿x方向的势场力为：沿y方向和z方向的势场力同理可得，那么第i个AUV受到的总势场力表示如下： 步骤3.3：解决加入避碰分量urit后可能导致的死锁问题；由于加入了避碰分量urit，可能致使驱动形成编队的某一方向控制力与避碰分量urit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urjt＝ρurit，其中ρ是一个较小的控制系数；当避碰力urit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urjt，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，总的避碰力为urkt＝urit+urjt把总的避碰力urkt加入到步骤3.1设计的控制器中得到最终的控制器为： 在该控制器的作用下，可避免在存在通信时延和参数变化扰动条件下AUV编队控制过程中可能发生的碰撞和死锁问题。

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