CN118034124A - 一种通导控一体化无人潜航器集群分布式协同运动控制系统及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通导控一体化无人潜航器集群分布式协同运动控制系统及实现方法，由N个无人潜航器组成，每个无人潜航器由组网通信模块、协同导航模块、协同运动控制模块组成；组网通信模块包括水面组网通信模块和水下组网通信模块，水面组网通信包含水下无人潜航器端天线，水下组网通信模块由高频通信声纳和中频通信声纳组成；协同导航模块分为内部导航设备和外部导航设备；协同运动控制模块由控制器和接口电路组成，控制器包括协同编队控制模块和操纵性控制模块，接口电路分为输入接口和输出接口。本发明将分布式双声纳组网通信技术、去中心化协同导航技术、分布式协同编队控制技术一体化集成至一个集群分布式协同运动控制系统上。
Description
技术领域
本发明属于深海资源勘探、水下无人系统协同侦察与海洋环境探测领域，具体为一种通导控一体化无人潜航器集群分布式协同运动控制系统及实现方法。
背景技术
水下无人潜航器集群协同作业可凭借空间上的分布性及传感器间的信息融合，有效提高执行效率。受水声通信带宽限制，存在难以实现水下无人潜航器间充分且高效的水下信息交互问题，导致无法在实际应用中有效实现集群协同控制策略。
1)目前，常用的水下组网通信模式为领航者通信，即选择一个水下无人潜航器作为领航者，由该领航者将所有潜航器状态信息、任务信息、位置校正信息等通过低频声纳发送至其他所有跟随者潜航器，该方式作业机理简单，适用于少量潜航器的协同作业，但无法支持大量潜航器同时作业,存在信息传输量大、数据传输间隔较长等问题，并具有领航者一旦失联系统崩溃等风险。
2)受导航装置成本限制，实际应用中，通常只搭载常规导航设备如惯导、DVL等获取自身导航信息，难以有效利用外部协同组网信息提高整个潜航器集群的导航精度。
发明内容
本发明针对目前水下无人潜航器集群难以实现真正分布式协同作业的问题，提供了一种通导控一体化无人潜航器集群分布式协同运动控制系统及实现方法，将分布式双声纳组网通信技术、去中心化协同导航技术、分布式协同编队控制技术一体化集成至一个集群分布式协同运动控制系统上，集成化程度高，使用的分布式组网通信架构有效缓解通信压力，突破水下组网通信可容纳的潜航器数量限制；使用的去中心化导航模式，给每个潜航器配置相同设备，避免单独一个领航者崩溃带来的系统崩溃问题，解决了水下无人平台有效协同作业问题。
为实现上述目的，本发明提出的一种通导控一体化无人潜航器集群分布式协同运动控制系统，由N个无人潜航器组成，每个无人潜航器由组网通信模块、协同导航模块、协同运动控制模块组成；
所述组网通信模块包括水面组网通信模块和水下组网通信模块，水面组网通信包含水下无人潜航器端天线，水下组网通信模块采用分布式双声纳通信架构，由高频通信声纳和中频通信声纳组成；
所述协同导航模块分为内部导航设备和外部导航设备，内部导航设备包括惯导、多普勒计程仪及压力传感器，外部导航设备采用中频声纳；
所述协同运动控制模块由控制器和接口电路组成，控制器包括协同编队控制模块和操纵性控制模块，接口电路分为输入接口和输出接口。
优选地，所述水面组网通信模块用于实现水面协同控制过程中的信息交互以及发布协同航行任务至无人潜航器，水下组网通信模块的高频声纳用于将自身无人潜航器的状态信息发送至邻居无人潜航器，接收邻居无人潜航器的状态信息并输出至自身无人潜航器的协同运动控制模块，实现水下无人潜航器间的分布式信息交互，水下组网通信模块的中频声纳用于接收母平台发送的绝对位置信息，并发送自身当前位置信息，实现位置校正；每个无人潜航器仅与少数邻居无人潜航器进行信息交互。
优选地，所述协同导航模块为每个无人潜航器配置相同性能的导航设备，采用去中心化协同导航架构，惯导和多普勒计程仪用于获取单无人潜航器自身内部组合导航信息，中频声纳利用声学同步测距，获取无人潜航器之间的外部相对距离信息，将无人潜航器自身内部组合导航信息与外部导航信息输入基于几何解算与滤波优化的分布式协同定位算法，获取无人潜航器的自身状态信息，输出至自身无人潜航器协同运动控制模块，并经由高频通信声纳传输至邻居无人潜航器。
优选地，所述控制器内嵌多无人潜航器分布式协同编队运动控制算法，可综合处理无人潜航器间的信息交互并进行无人潜航器集群协同运动期望状态规划，接口电路的输入与无人潜航器自身的组网通信模块、协同导航模块相连，用于接收当前无人潜航器的自身状态信息、邻居无人潜航器的状态信息和任务参数及相关控制指令，接口电路的输出与动力装置、无人潜航器控制器内的操纵性控制模块相连，用于发送协同运动控制参数，由操纵性控制模块发送动力操控指令驱动无人潜航器完成协同任务。
优选地，无人潜航器集群以分布式组网通信及去中心化协同导航架构为主体，每个无人潜航器配备相同的导航设备获取内部自身导航信息和外部距离信息，无人潜航器仅与自身邻居间进行状态信息交互及距离探测，整体按梳状路线进行集群分布式协同探测作业，母平台用于协同任务下发及定期位置校正。
优选地，母平台发送启动无人潜航器指令并发布协同任务至各无人潜航器，协同导航模块发送自身状态信息至自身协同运动控制模块，高频声纳将自身状态信息发送至各邻居无人潜航器，并接收来自各邻居无人潜航器的状态信息，中频声纳接受来自母平台的绝对位置信息，并测量相对距离信息传送至协同导航模块，协同运动控制模块接收协同任务，并执行协同编队策略，将解算的自身期望协同状态信息输出至操纵性运动控制模块，驱动无人潜航器运动，最终判别协同任务完成状态。
一种通导控一体化无人潜航器集群分布式协同运动控制系统的实现方法，依次布放并启动无人潜航器，下发协同任务，每台无人潜航器获取自身导航状态信息，发送自身状态至协同导航模块及邻居无人潜航器，收集自身及邻居状态信息解算期望协同状态，发送自身期望协同状态信息至操纵性模块，驱动无人潜航器至期望状态，母平台固定时间校正导航信息，判断是否达到期望状态及期望轨迹，若否则自每台无人潜航器获取自身导航状态信息开始持续循环，若是则协同任务结束，回收无人潜航器。
一种通导控一体化无人潜航器集群分布式协同运动控制系统的实现方法，具体步骤如下：
步骤一：母平台到达宽阔水域，依次布放多台无人潜航器，经由母平台上位机通过岸基端天线下发无人潜航器启动及协同任务指令，每台水下无人潜航器使用水下端天线接收任务指令发送至协同运动控制模块；
步骤二：每台水下无人潜航器使用协同导航模块，实时获取自身无人潜航器的状态信息，输出至自身无人潜航器协同运动控制模块，并经由高频通信声纳以固定时间间隔发送至邻居航行器；
步骤三：每台水下无人潜航器控制器收集自身及邻居无人潜航器的状态信息，输入协同运动控制模块，进行基于期望队形与期望路径的协同运动控制期望状态解算；
步骤四：发送自身协同运动控制控制期望参数至自身无人潜航器的操纵行控制模块，驱动无人潜航器航行至当前期望状态；
步骤五：母平台以固定时间频率向指定水下无人潜航器发送该无人潜航器的绝对位置信息，完成该无人潜航器的位置校正，并经由高频声纳将自身状态信息更新至邻居无人潜航器，实现固定频率的整体无人潜航器位置校正；
步骤六：在控制器中进行期望状态及期望路径等协同任务判断，直至完成协同任务；
步骤七：水下无人潜航器结束任务，返航回收至母平台。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明将分布式双声纳组网通信技术、去中心化协同导航技术、分布式协同编队控制技术一体化集成至一个集群协同运动控制系统上，形成一种通导控一体化无人潜航器集群分布式协同运动控制系统，集成化程度高，解决了具有水下高效通信能力的潜航器集群分布式协同作业问题；
2、本发明使用的分布式组网通信架构有效缓解通信压力，突破水下组网通信可容纳的潜航器数量限制，降低系统崩溃风险，通过分别搭载高频声纳和中频声纳，有效区分上行链路和下行链路通信，避免通信干扰，提高通信效率；
3、本发明使用的去中心化导航模式，给每个潜航器配置相同设备，提高系统容错能力；
4、本发明使用的协同导航技术将内部导航信息和外部导航信息进行融合，有效提高整个集群系统的导航精度，消除单平台导航带来的累积误差。
附图说明
图1为本发明实施例中通导控一体化无人潜航器集群分布式协同运动控制系统的实施场景图；
图2为本发明实施例中通导控一体化无人潜航器集群分布式协同运动控制系统的系统框图；
图3为本发明实施例中通导控一体化无人潜航器集群分布式协同运动控制系统的信息流图；
图4为本发明实施例中通导控一体化无人潜航器集群分布式协同运动控制系统的工作步骤图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所述通导控一体化无人潜航器集群分布式协同运动控制系统进行详细说明，但并不是对本发明保护范围的限制。
一种通导控一体化无人潜航器集群分布式协同运动控制系统，由组网通信模块、协同导航模块、协同运动控制模块组成；
所述的组网通信模块由水面组网通信模块和水下组网通信模块组成，水面组网通信每台水下潜航器端天线，用于实现水面协同控制过程中的信息交互以及发布协同航行任务至潜航器，水下组网通信模块采用分布式双声纳通信架构，每个潜航器仅与少数邻居潜航器进行信息交互，由高频通信声纳和中频通信声纳组成，高频声纳用于将自身潜航器的状态信息发送至邻居潜航器，接收邻居潜航器的状态信息并输出至自身潜航器的协同运动控制模块，实现水下潜航器间的分布式信息交互，中频声纳用于接收母平台发送的绝对位置信息，并发送自身当前位置信息，实现位置校正；
所述的协同导航模块为每个潜航器配置相同性能的导航设备，采用去中心化协同导航架构，由惯导、多普勒计程仪、压力传感器和中频声纳组成，其中惯导和多普勒计程仪用于获取单潜航器自身内部组合导航信息，中频声纳利用声学同步测距，获取潜航器之间的外部相对距离信息，将潜航器自身内部组合导航信息与外部导航信息输入基于几何解算与滤波优化的分布式协同定位算法，获取潜航器的自身状态信息，输出至自身潜航器协同运动控制模块，并经由高频通信声纳传输至邻居潜航器；
所述的协同运动控制模块由控制器和接口电路组成，控制器内嵌多潜航器分布式协同编队运动控制算法，可综合处理潜航器间的信息交互并进行潜航器集群协同运动期望状态规划，接口电路的输入与潜航器自身的组网通信模块、协同导航模块相连，用于接收当前潜航器的自身状态信息、邻居潜航器的状态信息和任务参数及相关控制指令，接口电路的输出与动力装置、潜航器控制器内的操纵性控制模块相连，用于发送协同运动控制参数，由操纵性控制模块发送动力操控指令驱动潜航器完成协同任务。
一种通导控一体化无人潜航器集群分布式协同运动控制系统的实现方法，该方法包含以下步骤：
步骤一：母平台到达宽阔水域，依次布放多台无人潜航器，经由母平台上位机通过岸基端天线下发潜航器启动及协同任务指令，每台水下无人潜航器使用水下端天线接收任务指令发送至协同运动控制模块；
步骤二：每台水下无人潜航器使用协同导航模块，实时获取自身潜航器的状态信息，输出至自身潜航器协同运动控制模块，并经由高频通信声纳以固定时间间隔发送至邻居航行器；
步骤三：每台水下无人潜航器控制器收集自身及邻居潜航器的状态信息，输入协同运动控制模块，进行基于期望队形与期望路径的协同运动控制期望状态解算；
步骤四：发送自身协同运动控制控制期望参数至自身潜航器的操纵行控制模块，驱动潜航器航行至当前期望状态；
步骤五：母平台以固定时间频率向指定水下无人潜航器发送该潜航器的绝对位置信息，完成该潜航器的位置校正，并经由高频声纳将自身状态信息更新至邻居潜航器，实现固定频率的整体潜航器位置校正；
步骤六：在控制器中进行期望状态及期望路径等协同任务判断，直至完成协同任务；
步骤七：水下无人潜航器结束任务，返航回收至母平台。
本实施例的实施场景如图1所示，深海UUV集群以分布式组网通信及去中心化协同导航架构为主体，每个UUV配备相同的导航设备获取内部自身导航信息和外部距离信息，UUV仅与自身邻居间进行状态信息交互及距离探测，整体按梳状路线进行集群分布式协同探测作业，母平台用于协同任务下发及定期位置校正。
本实施例中，通导控一体化无人潜航器集群分布式协同运动控制系统的系统框图如图2所示，无人潜航器集群分布式协同运动控制系统由N个无人潜航器组成，每个潜航器由组网通信模块、协同导航模块及协同运动控制模块组成。组网通信模块包括水面组网通信模块和水下组网通信模块，水面组网通信包含水下潜航器端天线，水下组网通信模块由高频通信声纳和中频通信声纳组成；协同导航模块分为内部导航设备和外部导航设备，内部导航设备包括惯导、多普勒计程仪及压力传感器等，外部导航设备为中频声纳；协同运动控制模块由控制器和接口电路组成，控制器包括协同编队控制模块和操纵性控制模块，接口电路分为输入接口和输出接口。
本实施例中，通导控一体化无人潜航器集群分布式协同运动控制系统的信息流图如图3所示，母平台发送启动潜航器指令并发布协同任务至各潜航器，协同导航模块发送自身状态信息至自身协同运动控制模块，高频声纳将自身状态信息发送至各邻居潜航器，并接收来自各邻居潜航器的状态信息，中频声纳接受来自母平台的绝对位置信息，并测量相对距离信息传送至协同导航模块，协同运动控制模块接收协同任务，并执行协同编队策略，将解算的自身期望协同状态信息输出至操纵性运动控制模块，驱动潜航器运动，最终判别协同任务完成状态。
本实施例中，通导控一体化无人潜航器集群分布式协同运动控制系统的工作步骤如图4所示，依次布放并启动潜航器，下发协同任务，每台潜航器获取自身导航状态信息，发送自身状态至协同导航模块及邻居潜航器，收集自身及邻居状态信息解算期望协同状态，发送自身期望协同状态信息至操纵性模块，驱动潜航器至期望状态，母平台固定时间校正导航信息，判断是否达到期望状态及期望轨迹，若否则自每台潜航器获取自身导航状态信息开始持续循环，若是则协同任务结束，回收潜航器。
Claims (8)
1.一种通导控一体化无人潜航器集群分布式协同运动控制系统，其特征在于：其由N个无人潜航器组成，每个无人潜航器由组网通信模块、协同导航模块、协同运动控制模块组成；
所述组网通信模块包括水面组网通信模块和水下组网通信模块，水面组网通信包含水下无人潜航器端天线，水下组网通信模块采用分布式双声纳通信架构，由高频通信声纳和中频通信声纳组成；
所述协同导航模块分为内部导航设备和外部导航设备，内部导航设备包括惯导、多普勒计程仪及压力传感器，外部导航设备采用中频声纳；
所述协同运动控制模块由控制器和接口电路组成，控制器包括协同编队控制模块和操纵性控制模块，接口电路分为输入接口和输出接口。
2.根据权利要求1所述的一种通导控一体化无人潜航器集群分布式协同运动控制系统，其特征在于：所述水面组网通信模块用于实现水面协同控制过程中的信息交互以及发布协同航行任务至无人潜航器，水下组网通信模块的高频声纳用于将自身无人潜航器的状态信息发送至邻居无人潜航器，接收邻居无人潜航器的状态信息并输出至自身无人潜航器的协同运动控制模块，实现水下无人潜航器间的分布式信息交互，水下组网通信模块的中频声纳用于接收母平台发送的绝对位置信息，并发送自身当前位置信息，实现位置校正；每个无人潜航器仅与少数邻居无人潜航器进行信息交互。
3.根据权利要求1所述的一种通导控一体化无人潜航器集群分布式协同运动控制系统，其特征在于：所述协同导航模块为每个无人潜航器配置相同性能的导航设备，采用去中心化协同导航架构，惯导和多普勒计程仪用于获取单无人潜航器自身内部组合导航信息，中频声纳利用声学同步测距，获取无人潜航器之间的外部相对距离信息，将无人潜航器自身内部组合导航信息与外部导航信息输入基于几何解算与滤波优化的分布式协同定位算法，获取无人潜航器的自身状态信息，输出至自身无人潜航器协同运动控制模块，并经由高频通信声纳传输至邻居无人潜航器。
4.根据权利要求1所述的一种通导控一体化无人潜航器集群分布式协同运动控制系统，其特征在于：所述控制器内嵌多无人潜航器分布式协同编队运动控制算法，可综合处理无人潜航器间的信息交互并进行无人潜航器集群协同运动期望状态规划，接口电路的输入与无人潜航器自身的组网通信模块、协同导航模块相连，用于接收当前无人潜航器的自身状态信息、邻居无人潜航器的状态信息和任务参数及相关控制指令，接口电路的输出与动力装置、无人潜航器控制器内的操纵性控制模块相连，用于发送协同运动控制参数，由操纵性控制模块发送动力操控指令驱动无人潜航器完成协同任务。
5.根据权利要求1所述的一种通导控一体化无人潜航器集群分布式协同运动控制系统，其特征在于：无人潜航器集群以分布式组网通信及去中心化协同导航架构为主体，每个无人潜航器配备相同的导航设备获取内部自身导航信息和外部距离信息，无人潜航器仅与自身邻居间进行状态信息交互及距离探测，整体按梳状路线进行集群分布式协同探测作业，母平台用于协同任务下发及定期位置校正。
6.根据权利要求1所述的一种通导控一体化无人潜航器集群分布式协同运动控制系统，其特征在于：母平台发送启动无人潜航器指令并发布协同任务至各无人潜航器，协同导航模块发送自身状态信息至自身协同运动控制模块，高频声纳将自身状态信息发送至各邻居无人潜航器，并接收来自各邻居无人潜航器的状态信息，中频声纳接受来自母平台的绝对位置信息，并测量相对距离信息传送至协同导航模块，协同运动控制模块接收协同任务，并执行协同编队策略，将解算的自身期望协同状态信息输出至操纵性运动控制模块，驱动无人潜航器运动，最终判别协同任务完成状态。
7.一种如权利要求1所述的通导控一体化无人潜航器集群分布式协同运动控制系统的实现方法，其特征在于：依次布放并启动无人潜航器，下发协同任务，每台无人潜航器获取自身导航状态信息，发送自身状态至协同导航模块及邻居无人潜航器，收集自身及邻居状态信息解算期望协同状态，发送自身期望协同状态信息至操纵性模块，驱动无人潜航器至期望状态，母平台固定时间校正导航信息，判断是否达到期望状态及期望轨迹，若否则自每台无人潜航器获取自身导航状态信息开始持续循环，若是则协同任务结束，回收无人潜航器。
8.根据权利要求7所述的通导控一体化无人潜航器集群分布式协同运动控制系统的实现方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一：母平台到达宽阔水域，依次布放多台无人潜航器，经由母平台上位机通过岸基端天线下发无人潜航器启动及协同任务指令，每台水下无人潜航器使用水下端天线接收任务指令发送至协同运动控制模块；
步骤二：每台水下无人潜航器使用协同导航模块，实时获取自身无人潜航器的状态信息，输出至自身无人潜航器协同运动控制模块，并经由高频通信声纳以固定时间间隔发送至邻居航行器；
步骤三：每台水下无人潜航器控制器收集自身及邻居无人潜航器的状态信息，输入协同运动控制模块，进行基于期望队形与期望路径的协同运动控制期望状态解算；
步骤四：发送自身协同运动控制控制期望参数至自身无人潜航器的操纵行控制模块，驱动无人潜航器航行至当前期望状态；
步骤五：母平台以固定时间频率向指定水下无人潜航器发送该无人潜航器的绝对位置信息，完成该无人潜航器的位置校正，并经由高频声纳将自身状态信息更新至邻居无人潜航器，实现固定频率的整体无人潜航器位置校正；
步骤六：在控制器中进行期望状态及期望路径等协同任务判断，直至完成协同任务；
步骤七：水下无人潜航器结束任务，返航回收至母平台。
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| CN118192387A (zh) * | 2024-05-15 | 2024-06-14 | 西北工业大学深圳研究院 | 一种无人潜水器集群分布式敏捷协同控制方法及其系统 |
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2024
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| CN118192387A (zh) * | 2024-05-15 | 2024-06-14 | 西北工业大学深圳研究院 | 一种无人潜水器集群分布式敏捷协同控制方法及其系统 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |