CN104503461A - 一种远程自主水下航行器的多载荷布放控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种远程自主水下航行器的多载荷布放控制方法，可以同时发射多枚远程自主水下航行器，然后多枚自主水下航行器协同完成自航过程，提高了布放效率，而且可以最大限度降低海洋环境对远程自主水下航行器自航过程的影响。本发明涉及的自主水下航行器只需要利用水声测距和测向获得邻雷的相对距离、方位以及航向信息，然后采用人工势场和控制矢量的分布式控制方法即可实现自主水下航行器的协同航行：在指定水深，各个自主水下航行器将实现相同的航向，理想的相对距离协同航行到达障碍区域。

Description

一种远程自主水下航行器的多载荷布放控制方法

技术领域

本发明属于自主水下航行器领域，具体涉及一种远程自主水下航行器的多载荷布放控制方。

背景技术

自主水下航行器是水下无人航行器的一种。水下无人航行器技术无论在军事上、还是民用方面都已不是新事物，其研制始于50年代，早期主要用于海上石油与天然气的开发等，军用方面主要用于打捞试验丢失的海底武器(如鱼雷)，后来在水下航行器战中作为灭雷具得到了较大的发展。80年代末，随着计算机技术、人工智能技术、微电子技术、小型导航设备、指挥与控制硬件、逻辑与软件技术的突飞猛进，自主水下航行器得到了大力发展。由于自主水下航行器摆脱了系缆的牵绊，在水下作战和作业方面更加灵活，该技术日益受到发达国家军事海洋技术部门的重视。

由于远程自主水下航行器在自航过程中需要航行相当长的距离才能抵达预定的工作区域，在复杂的海洋环境里各种因素所引起的水下航行器航行误差较大，所以本发明提出一种远程自主水下航行器的多载荷布放控制方法，潜艇可以同时发射多枚自主水下航行器，然后多枚水下航行器协同完成自航过程，提高了布放效率，而且可以最大限度降低海洋环境对自主水下航行器自航过程的影响。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种远程自主水下航行器的多载荷布放控制方法，为最大限度减弱海洋环境对单枚自主水下航行器自航过程的影响，并且提高布放效率。

技术方案

一种远程自主水下航行器的多载荷布放控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：根据测得的邻雷距离，生成水下航行器人工势场力： 其中：d₀为期望的相对距离，d_i为第i个邻居的距离，δ、σ为相关参量；

步骤2、生成控制矢量：

用于自主水下航行器相对距离的调整的水下航行器接近控制矢量P：根据测得的邻水下航行器方位角和水下航行器人工势场力，生成基于距离和方位角的水下航行器接近控制矢量：其中：n_p为邻水下航行器数量，θ_i为第i个邻水下航行器的方位角；

用于水下航行器水平航行方向的一致的水下航行器对齐控制矢量A：根据各个邻水下航行器的航向生成水下航行器对齐控制矢量：n_a为邻水下航行器数量，其中：θ_i为第i个邻水下航行器航向的相对角度；

用于所有水下航行器朝着目标方向航行的水下航行器目标控制矢量G：根据目标位置的方向，生成水下航行器目标控制矢量：其中：θ_g为目标区域在焦点水下航行器载体坐标系的角度；

步骤3：将水下航行器接近控制矢量P、水下航行器对齐控制矢量A和水下航行器目标控制矢量G进行加权相加，得到水下航行器控制矢量F：F＝αP+βA+γG，其中：α、β、γ是加权系数，最终实现各个水下航行器保持理想的相对距离、以一致的水平航行方向共同朝着目标位置方向航行；

步骤4：根据水下航行器控制矢量F，生成水下航行器的前进速度u和角速度ω：  $\left\{\begin{array}{c}u={\mathrm{\λ}}_1{F}_y+U\\ \mathrm{\ω}={\mathrm{\λ}}_2{F}_x\end{array}\right.,$ 其中：F_y、F_x是控制矢量F在水下航行器纵向和横向的分量，λ₁、λ₂、U是相关系数。

所述δ取值在1到10之间。

所述σ取值在1到5之间。

所述α、β、γ取值都在1到10之间。

所述λ₁、λ₂取值在0.1到5之间。

所述U取值在0.1到1之间。

有益效果

本发明提出的一种远程自主水下航行器的多载荷布放控制方法，由于自主水下航行器在自航过程中需要航行相当长的距离才能抵达预定的障碍区，在复杂的海洋环境里各种因素所引起的远程自主水下航行器航行误差较大，所以本发明提出一种远程自主水下航行器的协同布放控制方法，潜艇可以同时发射多枚远程自主水下航行器，然后多枚自主水下航行器协同完成自航过程，提高了布放效率，而且可以最大限度降低海洋环境对远程自主水下航行器自航过程的影响。

本发明涉及的自主水下航行器只需要利用水声测距和测向获得邻雷的相对距离、方位以及航向信息，然后采用人工势场和控制矢量的分布式控制方法即可实现自主水下航行器的协同航行：在指定水深，各个自主水下航行器将实现相同的航向，理想的相对距离协同航行到达障碍区域。

附图说明

图1是各自主水下航行器协同航行轨迹图；空圈表示起点，实圈表示结束点

图2是各自主水下航行器协同航行方向图；横轴为时间，纵轴为弧度表示的航向

图3是各自主水下航行器协同航行前进速度图；横轴为时间，纵轴为前进速度

图4是各自主水下航行器协同航行角速度图，横轴为时间，纵轴为角速度

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

结合对发明内容的说明，本发明的一个具体算例如下：

1、十枚自主水下航行器从自航起点出发，各个自主水下航行器利用水声测距测得邻居的相对距离、方位角和航向信息，然后利用相对距离计算相应邻居的人工势场力： (δ取4，σ取2)，再结合相对方位角信息，计算出自身控制的接近控制矢量： $P=\underset{i=1}{\overset{n_p}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i\left(d_i\right)e^{j{\mathrm{\θ}}_i};$

同时各个自主水下航行器根据测得的邻居航向信息，计算出自身控制的对齐控制矢量： $A=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n_a}{e}^{j{\mathrm{\θ}}_i}}{\left|\right|{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n_a}{e}^{j{\mathrm{\θ}}_i}\left|\right|};$

同时各个自主水下航行器根据提前设定好的目标位置方向信息(本例设为π/3)，计算出自身控制的目标控制矢量：

2、由接近控制矢量P、对齐控制矢量A还有目标控制矢量G加权值相加计算出控制矢量：F＝2P+5A+7G(α取2，β取5，γ取7)，进而计算出各自的前进速度和角速度： $\left\{\begin{array}{c}u={0.5F}_y+0.1\\ \mathrm{\ω}=3F_x\end{array}\right.$ (λ₁、λ₂分别取0.5和3，U取0.1)；

3、各个自主水下航行器根据计算，调整各自的前进速度和角速度，由图1可见：十枚自主水下航行器首先调整各自的航向和相对距离，调整完成后共同朝着目标位置方向逐步前进；同时由图2也可看出：十枚自主水下航行器在调整自身航向达到一致后，共同朝着预定目标(π/3)航行，最终驶入目标方向，继续航行，直至到达目标位置，完成了自主水下航行器的多载荷布放过程。

Claims (6)

1.一种远程自主水下航行器的多载荷布放控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：根据测得的邻雷距离，生成水下航行器人工势场力：其中：d₀为期望的相对距离，d_i为第i个邻居的距离，δ、σ为相关参量；

步骤2、生成控制矢量：

用于自主水下航行器相对距离的调整的水下航行器接近控制矢量P：根据测得的邻水下航行器方位角和水下航行器人工势场力，生成基于距离和方位角的水下航行器接近控制矢量：其中：n_p为邻水下航行器数量，θ_i为第i个邻水下航行器的方位角；

用于水下航行器水平航行方向的一致的水下航行器对齐控制矢量A：根据各个邻水下航行器的航向生成水下航行器对齐控制矢量：n_a为邻水下航行器数量，其中：θ_i为第i个邻水下航行器航向的相对角度；

用于所有水下航行器朝着目标方向航行的水下航行器目标控制矢量G：根据目标位置的方向，生成水下航行器目标控制矢量：其中：θ_g为目标区域在焦点水下航行器载体坐标系的角度；

步骤3：将水下航行器接近控制矢量P、水下航行器对齐控制矢量A和水下航行器目标控制矢量G进行加权相加，得到水下航行器控制矢量F：F＝αP+βA+γG，其中：α、β、γ是加权系数，最终实现各个水下航行器水雷保持理想的相对距离、以一致的水平航行方向共同朝着目标位置方向航行；

步骤4：根据水下航行器控制矢量F，生成水下航行器的前进速度u和角速度ω： $\left\{\begin{array}{c}u={\mathrm{\λ}}_1{F}_y+U\\ \mathrm{\ω}={\mathrm{\λ}}_2{F}_x\end{array}\right.,$ 其中：F_y、F_x是控制矢量F在水下航行器纵向和横向的分量，λ₁、λ₂、U是相关系数。

2.根据权利要求1所述远程自主水下航行器的多载荷布放控制方法，其特征在于：所述δ取值在1到10之间。

3.根据权利要求1所述远程自主水下航行器的多载荷布放控制方法，其特征在于：所述σ取值在1到5之间。

4.根据权利要求1所述远程自主水下航行器的多载荷布放控制方法，其特征在于：所述α、β、γ取值都在1到10之间。

5.根据权利要求1所述远程自主水下航行器的多载荷布放控制方法，其特征在于：所述λ₁、λ₂取值在0.1到5之间。

6.根据权利要求1所述远程自主水下航行器的多载荷布放控制方法，其特征在于：所述U取值在0.1到1之间。