基于事件触发机制的欠驱动水下航行器固定时间编队控制方法

本发明涉及水下航行器，具体为一种基于事件触发机制的欠驱动水下航行器固定时间编队控制方法。

背景技术：

1、随着各国海洋技术的不断发展，自动水下航行器(auv)已应用于水下目标探测、深海资源调查和海底测绘等多个领域。auv具有机动性灵活和隐蔽性好等优点。由于单个auv的能力有限，利用多个auv形成编队执行任务是最近发展起来的技术，它可以充分提高多个auv的探测性能。

2、目前已经提出了几种方法来获得auv所需的编队，例如基于行为的方法、基于拓扑的方法、虚拟结构、领航者-跟随者法等。领导者-追随者方法因其在实现中的简单性和可靠性而被广泛引用。与全驱动的auv相比，欠驱动的auv的执行器数量少于自由度数量，这对编队控制器的设计提出了严峻的挑战。

3、在领航者-跟随者法编队方法中，跟随者auv在某一时刻的期望位置由当前时刻领航者auv的实际位置确定。跟随者auv的实际位置与期望位置存在偏差，因此跟随者auv需要与领航者auv实时通信并获取其传输位置、速度信息进行相应地解算。但由于水下的特殊环境，水声通信的传输能力和稳定性较差，无法实时稳定传输过多信息。若能够仅通过传输位置信息进行编队协同，则可以有效减少auv之间的信息交互量，提升通信的稳定性。

4、对于无速度信息下的编队控制问题已存在一些研究，其中大多主要集中在无人机编队领域，例如一致性方法、虚拟刚体法、方位刚度法等，旨在通过更少通信信息实现无人机编队任务。但是由于auv欠驱动的性质，难以像无人机进行系统线性化处理，因此无人机编队领域的方法难以简单移植到auv领域。在无速度信息的欠驱动海洋航行器(无人船与水下航行器等)编队问题上，一些学者提出了使用积分状态观测器观测领航者未知速度、使用虚拟轨迹法根据位置信息计算得到相应速度信息等方法实现无速度信息编队控制。但是这些研究往往集中于研究二维平面内的编队问题，同时其控制器的稳定时间往往是不确定的，这严重限制了auv的控制性能，给auv的编队作业带来了不稳定因素。并且上述成果所提出的控制器大多需要连续的信号传输，这种进行连续采样周期信息传输的控制方式称为时间触发控制。但是当采样周期较短时，往往相邻几个采样周期传输的信息十分接近，这会使得auv计算得到的控制输出在只发生微小变换的情况下进行了计算，不利于欠驱动auv的稳定控制。

技术实现思路

1、限于弱联通下auv集群的水声通讯资源，针对现有无速度信息下的编队控制方法存在的问题，本发明提出一种基于事件触发机制的欠驱动水下航行器固定时间编队控制方法，设计了虚拟auv来跟踪仅提供位姿信息的领航者auv，并为虚拟auv设计了自适应速度调节律，使跟随者auv在通过虚拟auv跟踪参考位置时无需领航者auv的速度信息；此外还引入了事件触发机制来实现跟随者auv控制输入的智能触发。

2、本发明的技术方案为：

3、本发明提出的一种基于事件触发机制的欠驱动水下航行器固定时间编队控制方法，所述编队为领航者auv-跟随者auv编队，且auv为欠驱动auv，领航者auv仅提供自身位姿信息给跟随者auv；所述编队控制方法包括以下步骤：

4、步骤1：跟随者auv根据获取的领航者auv位置向量ηl＝[xl，yl，zl，θl,ψl]t，利用固定时间自适应速度调节律，计算得到虚拟auv的位置姿态向量ηv和速度矢量υv；

5、步骤2：从步骤1得到的虚拟auv的位置姿态向量ηv中取三维位置信息η1v＝[xv,yv,zv]t，并从步骤1得到的虚拟auv的速度矢量υv中取速度信息υ1v＝[uv,qv,rv]t；根据η1v和υ1v，利用期望速度导引律计算得到跟随者auv的期望速度υd；

6、步骤3：根据步骤2得到的υd＝[ud,qd,rd]t，利用欠驱动跟随者auv的动力学控制器：

7、

8、得到由欠驱动auv推进器提供的控制输入τ＝[τu,τq,τr]；其中，m11、m22、m33、m55、m66是简化auv广义质量矩阵中的参数；d11、d22、d33、d55、d66是阻尼参数矩阵中的参数；αu,βu,μu,αq,βq,μq,αr,βr,μr,δ为设定常量；

9、步骤4：构建动力学控制器的事件触发机制：

10、

11、并按照所述事件触发机制进行控制输出；其中μj,μj,1,μj,2为正常数，j＝u,q,r，μj＞μj,1+μj,2；表示事件触发机制的事件触发误差；表示经过事件触发机制后的输出，是跟随者auv动力学控制器的控制输出；tanh()为双曲线函数；μj,1,μj,2均表示事件触发机制中的设定参数；tj,k表示某一个触发时刻；tj,k+1表示tj,k的下一个触发时刻。

12、进一步的，步骤1中，所述固定时间自适应速度调节律为

13、

14、其中ηv＝[xv,yv,zv,θv,ψv]t为虚拟auv的位置姿态向量，初始计算时，设定虚拟auv位置姿态向量的初始值；jv坐标转换矩阵；sig(ηe)a＝sig(ηe)|ηe|a，sig(ηe)b＝sig(ηe)|ηe|b，上标a，b为设定常数；k1和k2为设定的正定矩阵；ηe为虚拟auv的位置姿态向量与跟随者auv期望位置姿态向量之间的误差向量；σ为设定常数；υu为约束领航者速度矢量的未知常数，是υu的估计值；

15、通过对虚拟auv的速度矢量υv的积分得到下一周期的虚拟auv的位置姿态向量，迭代计算实现固定时间自适应速度调节。

16、进一步的，根据公式

17、

18、得到其中ση为设定常数，k3和k4为设定常数，γ1为设定常数，上标n为设定常数。进一步的，跟随者auv的期望位置姿态向量ηr为

19、ηr＝ηl+j(ηl)l

20、其中θl，ψl为领导者auv的俯仰角和偏航角。

21、进一步的，步骤2中，所述期望速度导引律为

22、

23、其中ε为设定常数；k3和k4是设定的正定矩阵；χ为在机体坐标系中表示的轨迹跟踪误差，中间变量ηre＝η1f-η1v，j1f为坐标转换矩阵；m和n为设定的常数；ρ＝[ρ,0,0]t，设置参数ρ>0；ηg为虚拟制导轨迹。

24、进一步的，虚拟制导轨迹ηg＝η1v-j1fρ。

25、进一步的，步骤4中，当满足时，跟随者auv执行器的实际控制输出更新为当前计算所需的控制输出τj(tj,k),t∈[tj,k,tj,k+1)，否则实际控制输出保持原值。

26、有益效果

27、本发明提出的一种基于事件触发机制的欠驱动水下航行器固定时间编队控制方法，实现了多欠驱动auv的主从结构的编队控制。该方法为虚拟auv设计自适应速度调节器，将编队控制问题转化为轨迹生成和跟踪问题；并在控制器中添加了事件触发机制，以减少执行次数，并最大限度地减少执行器磨损和资源浪费。理论分析证明，闭环系统中的所有跟踪误差都能在固定时间内收敛到原点邻域。该算法具有信息传输量小、计算复杂度低、能耗低的优点。这使得本发明提出的方法在海洋工程中具有实施价值。

28、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种基于事件触发机制的欠驱动水下航行器固定时间编队控制方法，其特征在于：所述编队为领航者auv-跟随者auv编队，且auv为欠驱动auv，领航者auv仅提供自身位姿信息给跟随者auv；所述编队控制方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述一种基于事件触发机制的欠驱动水下航行器固定时间编队控制方法，其特征在于：步骤1中，所述固定时间自适应速度调节律为

3.根据权利要求2所述一种基于事件触发机制的欠驱动水下航行器固定时间编队控制方法，其特征在于：根据公式

4.根据权利要求2所述一种基于事件触发机制的欠驱动水下航行器固定时间编队控制方法，其特征在于：跟随者auv的期望位置姿态向量ηr为

5.根据权利要求1所述一种基于事件触发机制的欠驱动水下航行器固定时间编队控制方法，其特征在于：步骤2中，所述期望速度导引律为

6.根据权利要求5所述一种基于事件触发机制的欠驱动水下航行器固定时间编队控制方法，其特征在于：虚拟制导轨迹ηg＝η1v-j1fρ。

7.根据权利要求1所述一种基于事件触发机制的欠驱动水下航行器固定时间编队控制方法，其特征在于：步骤4中，当满足时，跟随者auv执行器的实际控制输出更新为当前计算所需的控制输出τj(tj,k),t∈[tj,k,tj,k+1)，否则实际控制输出保持原值。

技术总结
本发明提出一种基于事件触发机制的欠驱动水下航行器固定时间编队控制方法，设计了虚拟AUV来跟踪仅提供位姿信息的领航者AUV，并为虚拟AUV设计了自适应速度调节律，使跟随者AUV在通过虚拟AUV跟踪参考位置时无需领航者AUV的速度信息；此外还引入了事件触发机制来实现跟随者AUV控制输入的智能触发。该方法为虚拟AUV设计自适应速度调节器，将编队控制问题转化为轨迹生成和跟踪问题；并在控制器中添加了事件触发机制，以减少执行次数，并最大限度地减少执行器磨损和资源浪费。理论分析证明，闭环系统中的所有跟踪误差都能在固定时间内收敛到原点邻域。该方法具有信息传输量小、计算复杂度低、能耗低的优点，这使得本发明提出的方法在海洋工程中具有实施价值。

技术研发人员：丁文俊,张国宗,毛昭勇,宋保维,田文龙,闫争超,沈钧戈,李波,柴亚军
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5