CN112947503B - 一种水下滑翔机编队的协同控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水下滑翔机编队的协同控制方法，包括如下步骤：步骤一：编队中的各水下滑翔机均获取自身的运动参数数据并发送至编队控制平台；步骤二：编队控制平台接收所述运动参数数据后，根据所述运动参数数据与设定参数数据计算得出各水下滑翔机的校正量；步骤三：编队控制平台将所述校正量发送至相应的水下滑翔机；步骤四：各水下滑翔机接收所述校正量后根据所述校正量调整航行参数。由编队控制平台计算每个水下滑翔机的校正量，节省了水下滑翔机的运算资源，有利于水下滑翔机提高自身的运算资源利用率；编队控制平台能够掌握编队各成员的运动参数数据，能够更加详细的得知各个水下滑翔机在编队中的位置，从而更加精确的控制编队队形。
Description
技术领域
本发明涉及无人集群控制领域，更具体地，涉及一种水下滑翔机编队的协同控制方法。
背景技术
随着海洋资源和海洋环境探测的迅猛发展，利用单台水下航行器进行观探测的范围有效、能源有限，利用水下航行器多台编队进行固定队形执行复杂任务是控制领域的热点。
水下滑翔机编队运行过程中，需要在复杂海况下保持各平台的相对位置，以保持编队运行的稳定，从而保证编队高效的完成海洋探测任务。现有的水下滑翔机编队运行时，由每个编队成员自行控制自身在编队中的位置，避免位置偏差过大或避免成员之间相撞，这就要求水下滑翔机编队的各个成员需要分配一部分运算资源来保证自身在编队中的位置，该方式不仅会导致水下滑翔机的探测效率过低，还会降低整个编队的运行安全，不利于水下滑翔机的编队运行。
因此，需要一种可靠的，安全性高的水下滑翔机编队的控制方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种水下滑翔机编队协同控制的新技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种水下滑翔机编队的协同控制方法，包括如下步骤：
步骤一：编队中的各水下滑翔机均获取自身的运动参数数据并发送至编队控制平台；
步骤二：编队控制平台接收所述运动参数数据后，根据所述运动参数数据与设定参数数据计算得出各水下滑翔机的校正量；
步骤三：编队控制平台将所述校正量发送至相应的水下滑翔机；
步骤四：各水下滑翔机接收所述校正量后根据所述校正量调整航行参数。
通过本方案，由编队控制平台计算每个水下滑翔机的校正量，节省了水下滑翔机的运算资源，有利于水下滑翔机提高自身的运算资源利用率，更好的完成海洋探测任务；并且编队控制平台能够掌握编队各成员的运动参数数据，能够更加详细的得知各个水下滑翔机在编队中的位置，从而更加精确的控制编队队形。
优选地，所述编队控制平台与水下滑翔机以及水下滑翔机之间均通过水声通讯连接。
通过本方案，方便编队控制平台对编队中各个水下滑翔机进行控制，并且能够使用水声通信方式进行通讯；水声通讯传输距离远，且可靠性高。
优选地，所述运动参数数据至少包括位置信息数据以及航行速度数据，在步骤二中，所述编队控制平台根据所述位置信息数据与设定位置数据相比较得到绝对位置偏差值；根据所述航行速度数据与设定速度数据相比较得到速度偏差值；所述编队控制平台根据所述绝对位置偏差值与所述速度偏差值计算得出该水下滑翔机的速度校正量。
优选地，在步骤二中还包括，根据相邻的水下滑翔机的所述位置信息数据计算得出相对位置偏差值，所述编队控制平台根据所述相对位置偏差值、所述绝对位置偏差值以及所述速度偏差值计算得出该水下滑翔机的所述速度校正量。
优选地，所述运动参数数据还至少包括水下滑翔机的航行方向数据以及航向角加速度数据，在步骤二中，所述编队控制平台根据相邻水下滑翔机的航行方向数据和自身的航向角加速度数据计算得出每一台水下滑翔机的方位校正量。
优选地，所述校正量包括速度校正量和方位校正量，所述速度校正量和所述方位校正量通过公式1计算得出，公式1为：
其中，为第i个水下滑翔机的位置变化量，/>为第i个水下滑翔机的速度校正量，为第i个水下滑翔机航向方位校正量，wi为第i个水下滑翔机航向角加速度数据，k为计算权值。
优选地，在步骤二中，编队控制平台接收所述运动参数数据后，首先对所述运动参数数据进行低频滤波处理，并转变为统一格式后再进行校正量的计算。
通过本方案，低频滤波处理能够剔除野值，即通讯过程中出现的干扰信息，保持信息传输的准确性；经纬度数据全部转换为度分秒，航向角横滚角俯仰角等角度数据全部转换为弧度，加速度数据全部转换为m/s^2；角速度数据全部转换为弧度/s，最后将标准化数据进行计算处理；该设置能够使本方法适用于水下滑翔机编队中存在多种型号规格的水下滑翔机。
优选地，所述编队控制平台根据自身的运动参数以及水下滑翔机编队各成员在编队中的位置计算得到所述设定参数数据。
通过本方案，便于编队控制平台计算水下滑翔机各成员的编队位置，从而方便对编队进行控制。
优选地，还包括如下步骤：编队中各水下滑翔机实时获取自身的异常情况信息并发送至编队控制平台，所述编队控制平台根据所述异常情况信息处理水下滑翔机的异常情况；所述编队控制平台实时获取自身的异常情况信息并根据所述异常情况信息修改或转移控制权限。
通过本方案，实时监控编队中各水下滑翔机的异常情况并及时做出处理，提高本方法的安全性和可靠性；当编队控制平台出现异常情况时，根据异常情况的类型修改信息传输方式或者将控制权限移交至岸基控制中心。
优选地，所述编队控制平台根据所述异常情况信息处理水下滑翔机的异常情况的具体方式至少包括：控制所述水下滑翔机紧急上浮水面并发送打捞信号。
通过本方案，及时将出现异常情况的水下滑翔机脱离编队，避免故障水下滑翔机对编队其他成员造成影响而导致的探测任务失败。
优选地，所述编队控制平台中存储有若干套水下滑翔机编队队形，所述编队控制平台根据具体位置的海况信息调用相应的水下滑翔机编队队形。
通过本方案，使编队队形能够适应海况做出相应的适应性改变，从而避免触礁等危险情况发生，进一步提高本控制方法的安全性。
根据本公开的一个实施例，使用本水下滑翔机编队的协同控制方法，编队中各成员将运动参数信息发送至编队控制平台，并由编队控制平台计算每个水下滑翔机的校正量，节省了水下滑翔机的运算资源，有利于水下滑翔机提高自身的运算资源利用率，更好的完成海洋探测任务；
编队控制平台掌握编队各成员的运动参数数据，能够更加详细的得知各个水下滑翔机在编队中的位置，从全局角度进行控制整个编队，从而更加精确的控制水下滑翔机编队的队形；
本协同控制方法灵活性强，且编队运行过程中安全性更高，大大减小了编队中水下滑翔机之间碰撞以及单个水下滑翔机故障造成的整个编队瘫痪的概率发生。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明实施例的水下滑翔机编队的协同控制方法的流程图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
实施例一
如图1所示，本实施例中的水下滑翔机编队的协同控制方法，包括如下步骤：
S1100：编队中的各水下滑翔机均获取自身的运动参数数据并发送至编队控制平台；
在该步骤中，运动参数数据包括位置信息数据以及航行速度数据，水下滑翔机的位置信息确定后，所述运动参数数据还至少包括水下滑翔机的航行方向数据以及航向角加速度数据，根据航行方位数据以及航行速度数据既可以确定下一控制周期中该水下滑翔机的具体位置，从而能够计算相应水下滑翔机的校正量。
不仅使编队控制平台能够获知水下滑翔机在编队中的位置，还能够得知水下滑翔机之间的位置信息，从而及时做出调整，避免水下滑翔机之间的碰撞或脱离编队。
S1200：编队控制平台接收所述运动参数数据后，根据所述运动参数数据与设定参数数据计算得出各水下滑翔机的校正量；该校正量至少包括速度校正量和方位校正量；
在该步骤中，编队控制平台接收所述运动参数数据后，首先对所述运动参数数据进行低频滤波处理，剔除野值，即消除通讯过程中出现的干扰信息，保持信息传输的准确性；并转变为统一格式后再进行校正量的计算，经纬度数据全部转换为度分秒，航向角横滚角俯仰角等角度数据全部转换为弧度，加速度数据全部转换为m/s^2；角速度数据全部转换为弧度/s，最后将标准化数据进行计算处理；该设置能够使本方法适用于水下滑翔机编队中存在多种型号规格的水下滑翔机。
该步骤中，所述编队控制平台根据所述位置信息数据与设定位置数据(该设定位置数据为编队控制平台当前位置下，编队中的水下滑翔机应该到达的位置)相比较得到绝对位置偏差值；根据所述航行速度数据与设定速度数据相比较得到速度偏差值；根据相邻的水下滑翔机的所述位置信息数据计算得出相对位置偏差值，所述编队控制平台根据所述相对位置偏差值、所述绝对位置偏差值以及所述速度偏差值计算得出该水下滑翔机的所述速度校正量。
即速度校正量的的计算不仅要考虑水下滑翔机的当前位置与速度，当速度较慢时需要提高速度，当位置信息数据落后与设定位置数据时需要加速到达反之减速到达；还需要考虑相邻的水下滑翔机的位置位置偏差值，即在速度校正过程中避免相邻的水下滑翔机相撞。
所述运动参数数据还至少包括水下滑翔机的航行方向数据以及航向角加速度数据，在计算方向校正量时，所述编队控制平台根据相邻水下滑翔机的航行方向数据和自身的航向角加速度数据计算得出每一台水下滑翔机的方位校正量。即在进行方位校正量的计算过程中，不仅要考虑自身的航行方向数据的变化量(即航向角加速度数据)，还应当考虑相邻的水下滑翔机的航行方向数据，避免航向角的改变过快与相邻的滑翔机碰撞。
S1300：编队控制平台将所述校正量发送至相应的水下滑翔机；
该步骤中，编队控制平台通过水声通信将计算得到的速度校正量以及方位校正量传送给各水下滑翔机；
编队控制平台可以是直接将校正量发送至各水下滑翔机，也可以是将各校正量进行格式化，即将校正量转化为各平台能够识别的数据类型再进行发送，例如将速度校正量转换为俯仰电机的转动量以及排油量，将方位校正量转换为横滚电机的转动量。
S1400：各水下滑翔机接收所述校正量后根据所述校正量调整航行参数。
在该步骤中，各水下滑翔机接收到速度校正量和方位校正量后，平台控制器根据速度校正量调整俯仰电机和排油量，根据航向校正量调整横滚电机，从而使水下滑翔机能够及时调整自身在编队中的位置。
通过本实施例该方案，由编队控制平台计算每个水下滑翔机的校正量，节省了水下滑翔机的运算资源，有利于水下滑翔机提高自身的运算资源利用率，更好的完成海洋探测任务；并且编队控制平台能够掌握编队各成员的运动参数数据，能够更加详细的得知各个水下滑翔机在编队中的位置，从而更加精确的控制编队队形。
在一个水下滑翔机编队中通常设置1个编队中心(一般为水面航行器，例如水面无人艇、波浪滑翔器等作为编队指控平台，也可以是水下滑翔机中的其中一台作为编队指控平台)，即作为整个编队的指挥控制通信核心，担负整个编队任务规划、路径规划、运动控制、队形保持和通信中继等功能；编队中非领导成员担负具体使命任务，如环境观探测、水中目标识别、样本采集等具体工作，同时通过水声通信或卫星通信将自身平台的运动信息，如位置经纬度、深度、下潜速度、航行速度、横滚角度、俯仰角ηi(t)度、偏航角度、横滚角速度、俯仰角速度、横滚角速度、偏航角速度等传递给编队指控平台。
多水下无人航行器编队中各成员相互间距和分布角度构成了编队的拓扑结构，该结构受到队形间距、水声可靠通信距离、编队成员数目等条件约束。为了发挥整个编队的作业效率和保持通信可靠性，一般将编队成员均匀分布与编队领导单元周围，特殊情况下为通过障碍区域或作业要求设置特殊的队形。
在该实施例中，所述编队控制平台与水下滑翔机以及水下滑翔机之间均通过水声通讯连接。方便编队控制平台对编队中各个水下滑翔机进行控制，并且能够使用水声通信方式进行通讯；水声通讯传输距离远，且可靠性高。
使用本水下滑翔机编队的协同控制方法，编队中各成员将运动参数信息发送至编队控制平台，并由编队控制平台计算每个水下滑翔机的校正量，节省了水下滑翔机的运算资源，有利于水下滑翔机提高自身的运算资源利用率，更好的完成海洋探测任务；
编队控制平台掌握编队各成员的运动参数数据，能够更加详细的得知各个水下滑翔机在编队中的位置，可以采用更加灵活的编队控制策略，从全局角度进行有效控制整个编队运行，有利于提高水下滑翔机编队作业的有效协同和编队控制的稳定性；
本协同控制方法灵活性强，且编队运行过程中安全性更高，大大减小了编队中水下滑翔机之间碰撞以及单个水下滑翔机故障造成的整个编队瘫痪的概率发生。
实施例二
在一个具体的例子中，编队各成员首先根据自身平台的位姿传感器获得本身的经纬度数据、横滚角、俯仰角、偏航角等数据；通过平台之间的通信获得相互之间的位置信息、航向信息、深度信息等数据。
所述编队控制平台根据自身的运动参数以及水下滑翔机编队各成员在编队中的位置计算得到所述设定参数数据。编队控制平台根据卫星定位计算出自身的经纬度坐标，并根据该坐标得出编队中其他成员在该坐标的编队中应当所处的位置坐标，该位置坐标即为设定位置数据。便于编队控制平台计算水下滑翔机各成员的编队位置，从而方便对编队进行控制。编队控制平台自身所设定速度为设定速度数据
编队控制平台根据获取到的各水下滑翔机的运动参数，计算校正量，所述校正量包括速度校正量和方位校正量，所述速度校正量和所述方位校正量通过公式1计算得出，公式1为：
其中，为第i个水下滑翔机的位置变化量，/>为第i个水下滑翔机的速度校正量，为第i个水下滑翔机航向方位校正量，wi为第i个水下滑翔机航向角加速度数据，k为计算权值。
公式为水下滑翔机协同控制算法的计算过程，具体包括i个水下滑翔机的速度校正量和方位校正量两部分。在水下滑翔机协同控制过程中，主要是通过速度校正量来改变水下滑翔机的加速度，以使其到达相应的位置，从而实现位置的准确控制。通过方位校正量来改变水下滑翔机的角加速度从而实现对航向角度的准确控制，从而使得编队中各水下滑翔机能够彼此保持合适的距离，达到编队队形稳定的控制效果。
公式1计算过程：
1)速度校正量：第i个水下滑翔器速度校正量包含3部分内容，其一为设定的加速度值其二为当前速度的设定值与实际速度之间偏差，其三为第i个水下滑翔器与第j个水下滑翔器位置偏差和速度偏差之和，这3部分通过不同的权值及代数关系计算得到第i个水下滑翔器速度校正量；
2)方位校正量：第i个水下滑翔器方位校正量包含2部分内容，其一为当前航向角加速度值wi(t)，其二为第i个水下滑翔机与第j个水下滑翔机航向偏差的正弦数，这两部分通过不同的权值及代数关系计算得到第i个水下滑翔器航向方位校正量。
校正量计算完成后，将各个校正量转换为个水下滑翔机中各电机和排油量的参数并发送至相应的水下滑翔机。
各个水下滑翔机在接收该参数后，调整自身的俯仰电机、横滚电机、排油量等参数，从而达到协同控制的目的。
在本实施例或其他实施例中，还包括如下步骤：编队中各水下滑翔机实时获取自身的异常情况信息并发送至编队控制平台，所述编队控制平台根据所述异常情况信息处理水下滑翔机的异常情况；例如控制所述水下滑翔机紧急上浮水面并发送打捞信号，及时将出现异常情况的水下滑翔机脱离编队，避免故障水下滑翔机对编队其他成员造成影响而导致的探测任务失败。实时监控编队中各水下滑翔机的异常情况并及时做出处理，提高本方法的安全性和可靠性。
同时所述编队控制平台实时获取自身的异常情况信息并根据所述异常情况信息修改或转移控制权限。当编队控制平台出现异常情况时，根据异常情况的类型修改信息传输方式(例如水声通讯故障或遭受干扰时将水声通讯转换为卫星通讯)，或者在编队控制平台出现无法修复的故障时将控制权限移交至岸基控制中心，直接由岸基控制中心对编队进行控制。
在本实施例或其他实施例中，所述编队控制平台中存储有若干套水下滑翔机编队队形，所述编队控制平台根据具体位置的海况信息调用相应的水下滑翔机编队队形。提前根据海况信息(如航道、暗礁情况等)指定编队的航行轨迹，并根据轨迹所在海况信息进行编队，当编队控制平台移动至该海域时，使编队队形能够适应海况做出相应的适应性改变，从而避免触礁等危险情况发生，进一步提高本控制方法的安全性。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。
Claims (4)
1.一种水下滑翔机编队的协同控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：编队中的各水下滑翔机均获取自身的运动参数数据并发送至编队控制平台；所述编队控制平台与水下滑翔机以及水下滑翔机之间均通过水声通讯连接；
步骤二：编队控制平台接收所述运动参数数据后，根据所述运动参数数据与设定参数数据计算得出各水下滑翔机的校正量；
所述运动参数数据至少包括位置信息数据以及航行速度数据，所述编队控制平台根据所述位置信息数据与设定位置数据相比较得到绝对位置偏差值；根据所述航行速度数据与设定速度数据相比较得到速度偏差值；所述编队控制平台根据所述绝对位置偏差值与所述速度偏差值计算得出该水下滑翔机的速度校正量；根据相邻的水下滑翔机的所述位置信息数据计算得出相对位置偏差值，所述编队控制平台根据所述相对位置偏差值、所述绝对位置偏差值以及所述速度偏差值计算得出该水下滑翔机的所述速度校正量；
所述运动参数数据还至少包括水下滑翔机的航行方向数据以及航向角加速度数据，在步骤二中，所述编队控制平台根据相邻水下滑翔机的航行方向数据和自身的航向角加速度数据计算得出每一台水下滑翔机的方位校正量；
所述速度校正量和所述方位校正量通过公式1计算得出，公式1为：
其中，为第i个水下滑翔机的位置变化量，/>为第i个水下滑翔机的速度校正量，/>为第i个水下滑翔机航向方位校正量，wi为第i个水下滑翔机航向角加速度数据，k为计算权值；
步骤三：编队控制平台将所述校正量发送至相应的水下滑翔机；
步骤四：各水下滑翔机接收所述校正量后根据所述校正量调整航行参数。
2.根据权利要求1所述的水下滑翔机编队的协同控制方法，其特征在于，在步骤二中，编队控制平台接收所述运动参数数据后，首先对所述运动参数数据进行低频滤波处理，并转变为统一格式后再进行校正量的计算。
3.根据权利要求1所述的水下滑翔机编队的协同控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：编队中各水下滑翔机实时获取自身的异常情况信息并发送至编队控制平台，所述编队控制平台根据所述异常情况信息处理水下滑翔机的异常情况，所述编队控制平台根据所述异常情况信息处理水下滑翔机的异常情况的具体方式至少包括：控制所述水下滑翔机紧急上浮水面并发送打捞信号；所述编队控制平台实时获取自身的异常情况信息并根据所述异常情况信息修改或转移控制权限。
4.根据权利要求1所述的水下滑翔机编队的协同控制方法，其特征在于，所述编队控制平台中存储有若干套水下滑翔机编队队形，所述编队控制平台根据具体位置的海况信息调用相应的水下滑翔机编队队形。
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2021
- 2021-03-10 CN CN202110260399.7A patent/CN112947503B/zh active Active
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Non-Patent Citations (1)
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| 机器人编队协同控制方法综述;张志伟;机电信息(第32期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112947503A (zh) | 2021-06-11 |
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