CN117111613A - 一种水下机器人的集群协同控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水下机器人的集群协同控制方法。与现有技术相比，本发明有益效果在于：不需要跟随机器人搭载自主系统，减少跟随机器人的搭载设备。由水面船只上的控制器来完成决策，并将控制信号传输给跟随机器人，跟随机器人做出对应的运动。不需要跟随机器人搭载环境感知传感器来检测与领航机器人的相对位置，减少跟随机器人的搭载设备。将检测水下机器人位置的水下定位系统搭载在水面船只上。不需要水下机器人之间进行通信。将用于通信的水声通信系统搭载在水面船只上。
Description
技术领域
本发明属于水下机器人集群协同控制领域，具体涉及一种水下机器人的集群协同控制方法。
背景技术
随着海洋资源的日益发掘，水下机器人的应用越来越广泛。单个水下机器人已经无法满足探测的需求，水下机器人集群协同控制的研究备受关注。
目前，水下机器人主要分为远程遥控水下机器人(ROV)和自主水下机器人(AUV)。远程遥控水下机器人需要由人员通过电缆进行操作，所能探测的面积和深度较小，但续航能力较强；自主水下机器人则无需电缆，可进行自主决策，续航能力较弱，但所能探测的面积和深度较大。自主水下机器人摆脱了对人员和电缆的需求，再结合集群协同控制，能够对规划区域里进行高效高精度的探测。
现有的自主水下机器人集群不仅需要搭载自主系统，还需要搭载探测设备，对机体负载要求较高。同时，自主水下机器人之间通过水声通信进行信息交互，而水声通信的带宽相对较低，多设备连续通信容易出现拥堵和丢包现象，从而影响自主水下机器人集群协同控制。
发明内容
本发明提供一种水下机器人的集群协同控制方法，旨在解决现有技术中水下机群人负载要求高，多个水下机器人连续通信容易出现拥堵和丢包现象，从而影响自主水下机器人集群协同控制的问题。
本发明提供一种水下机器人的集群协同控制方法，所述集群协同控制方法包括以下步骤：
在水面船只上派遣多个所述水下机器人下水进行探索，所述水面船只搭载有控制器、水下定位系统的接收器以及第一水声通信系统，所述水下机器人搭载有水下定位系统的定位器；所述水下定位系统的接收器用于实时接收所述水下定位系统的定位器的信号，以确定每一所述水下机器人的位置信息
多个所述水下机器人组成编队进行协同控制；
通过所述接收器根据所述定位器获取每一所述水下机器人的位置信息，判断所述水下机器人是否满足触发机制，若是，则将所述位置信息传输给所述控制器计算并输出控制信号，并将所述控制信号通过所述第一水声通信系统传输到每一所述水下机器人，以驱动所述水下机器人执行相应的运动；若否，则继续通过所述接收器获取每一所述水下机器人的位置。
优选的，所述水下机器人包括多个无电缆的远程遥控水下机器人和一个自主水下机器人。
优选的，所述无电缆的远程遥控水下机器人搭载有第二水声通信系统。
优选的，所述自主水下机器人搭载有自主系统和第三水声通信系统。
优选的，多个所述水下机器人采用编队控制方法，所述自主水下机器人作为领航机器人，所述领航机器人的位置为领航位置，所述领航机器人负责进行路径规划；
所述无电缆的远程遥控水下机器人作为跟随机器人，所述跟随机器人的位置为跟随位置，所述跟随机器人基于所述领航机器人的领航位置和预设位置约束条件，实时计算所述跟随位置，通过所述领航位置和所述跟随位置来保持多个所述水下机器人的编队队形。
优选的，所述触发机制包括事件触发机制和周期触发机制。
优选的，所述事件触发机制为在预设事件发生时触发相应的行为或操作；所述周期触发机制为在预设时间间隔内定期触发预设的行为或操作。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：不需要跟随机器人搭载自主系统，减少跟随机器人的搭载设备。由水面船只上的控制器来完成决策，并将控制信号传输给跟随机器人，跟随机器人做出对应的运动。不需要跟随机器人搭载环境感知传感器来检测与领航机器人的相对位置，减少跟随机器人的搭载设备。将检测水下机器人位置的水下定位系统搭载在水面船只上。不需要水下机器人之间进行通信。将用于通信的水声通信系统搭载在水面船只上。
附图说明
下面结合附图详细说明本发明。通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的上述或其他方面的内容将变得更清楚和更容易理解。附图中：
图1是本发明实施例提供的水下机器人的集群协同控制方法的流程框图；
图2是本发明实施例提供的水下机器人的集群协同控制方法的水下机器人探索示意图；
图3是本发明实施例提供的水下机器人的集群协同控制方法的编队示意图；
图4是本发明实施例提供的水下机器人的集群协同控制方法的事件触发机制框图；
图5是本发明实施例提供的水下机器人的集群协同控制方法的周期触发机制框图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参照图1，本发明提供一种水下机器人的集群协同控制方法，所述集群协同控制方法包括以下步骤：
S101、在水面船只上派遣多个所述水下机器人下水进行探索，所述水面船只搭载有控制器、水下定位系统的接收器以及第一水声通信系统，所述水下机器人搭载有水下定位系统的定位器；所述水下定位系统的接收器用于实时接收所述水下定位系统的定位器的信号，以确定每一所述水下机器人的位置信息；
在本发明实施例中，所述水下机器人包括多个无电缆的远程遥控水下机器人和一个自主水下机器人。所述无电缆的远程遥控水下机器人搭载有第二水声通信系统。所述自主水下机器人搭载有自主系统和第三水声通信系统。所述水下机器人可根据实际需求选择搭载不同的探测设备。
在本发明实施例中，水下定位系统选用UGPS，包含Topside接收控制盒，Locator水下定位器和Baseline水下基线，工作范围为300m。第一、第二以及第三水声通信系统建立水面船只与多个水下机器人之间的通信网络，将控制信号传输给水下机器人集群。水声通信系统选用M64，工作范围为200m。当然此处仅为实施例中采用的设备以及系统，跟换其他种类的设备或系统都是可行的。
S102、多个所述水下机器人组成编队进行协同控制；
在本发明实施例中，多个所述水下机器人采用编队控制方法，所述自主水下机器人作为领航机器人，所述领航机器人的位置为领航位置，所述领航机器人负责进行路径规划；所述无电缆的远程遥控水下机器人作为跟随机器人，所述跟随机器人的位置为跟随位置，所述跟随机器人基于所述领航机器人的领航位置和预设位置约束条件，实时计算所述跟随位置，通过所述领航位置和所述跟随位置来保持多个所述水下机器人的编队队形。将水下机器人集群的运动控制问题分解为领航机器人的路径规划问题和跟随机器人的跟踪运动问题，有效减少了水下机器人集群编队的复杂程度和控制难度。
其中，水下机器人离散系统模型：
其中，A，B为常数矩阵，x0(k-1)为领航机器人在k-1时刻的系统状态，xi(k-1)为第i台跟随机器人在k-1时刻的系统状态，ui(k-1)为第i台跟随机器人在k-1时刻的控制输入。x0(k)表示领航机器人在k时刻的系统状态，xi(k)表示第i台跟随机器人在k时刻的系统状态。
请参照图3，本发明中水下机器人按照此队形进行编队，每台水下机器人均自身搭载能源与推进装置。
领航机器人搭载设备较多，水中运动速度较慢；跟随机器人搭载设备较少，水中运动速度较快。结合领航机器人与跟随机器人的优缺点进行编队，跟随机器人以领航机器人为中心，半径R为圆进行分布，对规划区域进行高效高精度的探测。
半径R受跟随机器人尺寸和数量等因素影响，半径R的表达式：
R＝f(l,w,n-1)；
其中，l，w分别为跟随机器人的长度和宽度，n-1为跟随机器人的数量。跟随机器人相对领航机器人的位置信息：
Xi＝Rcosαi；
Yi＝Rsinαi；
其中，Xi和Yi是指第i台跟随者的x轴和y轴坐标信息。
随着时间，环境等因素的影响，水下机器人集群之间的编队位置会有误差，误差的表达式：
ei(k)＝xi(k)-x0(k)-R；
S103、通过所述接收器根据所述定位器获取每一所述水下机器人的位置信息，判断所述水下机器人是否满足触发机制，若是，则将所述位置信息传输给所述控制器计算并输出控制信号，并将所述控制信号通过所述第一水声通信系统传输到每一所述水下机器人，以驱动所述水下机器人执行相应的运动；若否，则继续通过所述接收器获取每一所述水下机器人的位置。
在本发明实施例中，触发机制包括事件触发机制和周期触发机制，所述事件触发机制为在预设事件发生时触发相应的行为或操作；所述周期触发机制为在预设时间间隔内定期触发预设的行为或操作。
请参照图4，本发明的事件触发机制表示如下：
其中，为事件触发函数，βi∈(0,1)是已知标量，km为触发脉冲时刻，m表示第m次触发脉冲时刻。
请参照图5，本发明的周期触发机制表示如下：
km2＝Δ+km-1；
其中，Δ为周期时间，km-1为上一次的触发脉冲时刻。
本发明结合事件触发机制和周期触发机制，表示如下：
km＝min{km1,km2}；
其中，km1为事件触发机制得出的触发脉冲时刻，km2为周期触发机制得出的触发脉冲时刻。
满足触发机制则将水下机器人的位置信息传输给控制器计算，控制器的表达式：
其中Ki为控制器增益，δ表示是脉冲函数，是正整数，/>是整数。
控制器输出的控制信号通过水声通信系统传输到每一水下机器人，水下机器人中的无电缆的远程遥控水下机器人(跟随机器人)执行相应的运动，保持集群的协同控制。
不满足触发机制则继续获取每一水下机器人的位置。
随着时间的推移，跟随者将满足以下条件：
limk→∞(xi(k)-x0(k))＝R。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：不需要跟随机器人搭载自主系统，减少跟随机器人的搭载设备。由水面船只上的控制器来完成决策，并将控制信号传输给跟随机器人，跟随机器人做出对应的运动。不需要跟随机器人搭载环境感知传感器来检测与领航机器人的相对位置，减少跟随机器人的搭载设备。将检测水下机器人位置的水下定位系统搭载在水面船只上。不需要水下机器人之间进行通信。将用于通信的水声通信系统搭载在水面船只上。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式用等同变化，均属于本发明的保护之内。
Claims (7)
1.一种水下机器人的集群协同控制方法，其特征在于，所述集群协同控制方法包括以下步骤：
在水面船只上派遣多个所述水下机器人下水进行探索，所述水面船只搭载有控制器、水下定位系统的接收器以及第一水声通信系统，所述水下机器人搭载有水下定位系统的定位器；所述水下定位系统的接收器用于实时接收所述水下定位系统的定位器的信号，以确定每一所述水下机器人的位置信息；
多个所述水下机器人组成编队进行协同控制；
通过所述接收器获取每一所述水下机器人的位置信息，判断所述水下机器人是否满足触发机制，若是，则将所述位置信息传输给所述控制器计算并输出控制信号，并将所述控制信号通过所述第一水声通信系统传输到每一所述水下机器人，以驱动所述水下机器人执行相应的运动；若否，则继续通过所述接收器获取每一所述水下机器人的位置。
2.如权利要求1所述的水下机器人的集群协同控制方法，其特征在于，所述水下机器人包括多个无电缆的远程遥控水下机器人和一个自主水下机器人。
3.如权利要求2所述的水下机器人的集群协同控制方法，其特征在于，所述无电缆的远程遥控水下机器人搭载有第二水声通信系统。
4.如权利要求2所述的水下机器人的集群协同控制方法，其特征在于，所述自主水下机器人搭载有自主系统和第三水声通信系统。
5.如权利要求2所述的水下机器人的集群协同控制方法，其特征在于，多个所述水下机器人采用编队控制方法，所述自主水下机器人作为领航机器人，所述领航机器人的位置为领航位置，所述领航机器人负责进行路径规划；
所述无电缆的远程遥控水下机器人作为跟随机器人，所述跟随机器人的位置为跟随位置，所述跟随机器人基于所述领航机器人的领航位置和预设位置约束条件，实时计算所述跟随位置，通过所述领航位置和所述跟随位置来保持多个所述水下机器人的编队队形。
6.如权利要求1所述的水下机器人的集群协同控制方法，其特征在于，所述触发机制包括事件触发机制和周期触发机制。
7.如权利要求6所述的水下机器人的集群协同控制方法，其特征在于，所述事件触发机制为在预设事件发生时触发相应的行为或操作；所述周期触发机制为在预设时间间隔内定期触发预设的行为或操作。
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