編隊(duì)式自主水下航行器無(wú)碰協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究*

侯新國(guó)，潘 昕，畢 敏

（1.海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033；2.湖北宜昌測(cè)試技術(shù)研究所，湖北 宜昌 443000）

0 引言

編隊(duì)式自主水下航行器（AUV）具有作業(yè)效率高、功能全面的優(yōu)勢(shì)［1］，在海洋勘探、預(yù)警搜索偵察等方面有重大的應(yīng)用價(jià)值。AUV 編隊(duì)控制的核心思想是讓多個(gè)具有簡(jiǎn)單功能的AUV 有機(jī)地組成一個(gè)團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)中每個(gè)成員都分配有各自的任務(wù)，通過(guò)一定的控制策略，完成給定的復(fù)雜任務(wù)。在編隊(duì)航行的協(xié)調(diào)控制中，AUV 如何跟隨各自相應(yīng)的參考路徑曲線是協(xié)調(diào)控制的關(guān)鍵，即AUV 的路徑跟蹤問(wèn)題［2-8］。文獻(xiàn)［2-6］基于不同的方法提出了不同的跟蹤控制器，在某些特定指標(biāo)上得到了較好的控制效果。另外，編隊(duì)式航行中必須保證相鄰AUV 位置的約束關(guān)系［7-9］，只有滿足路徑跟蹤和相互間的約束關(guān)系，AUV 才能作為一個(gè)整體協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。

另一方面，編隊(duì)式AUV 在航行時(shí)，由于編隊(duì)控制中個(gè)體的目標(biāo)任務(wù)或運(yùn)行狀態(tài)的不同，AUV 之間存在避障問(wèn)題，如何躲避障礙物的碰撞，也是研究的難點(diǎn)。文獻(xiàn)［10］討論了基于模糊推理的避碰策略與路徑跟蹤行為相結(jié)合的策略，但文獻(xiàn)中將避碰對(duì)象簡(jiǎn)化為常規(guī)障礙物（指一般不存在避碰意識(shí)的物體）的處理是不夠完備的。編隊(duì)航行中智能體間的避障與常規(guī)障礙物的避障存在差異，如果采用傳統(tǒng)避障方法如模糊推理方法［10］，時(shí)間系數(shù)分層控制策略［11］，混合整數(shù)線性規(guī)劃［12］等方法，避碰時(shí)會(huì)引起相互智能體間產(chǎn)生擺動(dòng)效應(yīng)，甚至導(dǎo)致避碰失?。?3］。文獻(xiàn)［13］提出了互惠避障策略（Reciprocal Velocity Obstacle，RVO）概念，對(duì)兩個(gè)智能體間的避碰定義了具體的策略，智能體僅需要調(diào)整速度到互惠速度區(qū)域之外，則兩個(gè)AUV 就不會(huì)發(fā)生碰撞。文獻(xiàn)［14-16］在RVO 概念的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了混合互惠避障策略（Hybrid Reciprocal Velocity Obstacle，HRVO），擴(kuò)大了RVO 的應(yīng)用場(chǎng)景，將其推廣到多智能體避障的環(huán)境。本文以X Y-水平面運(yùn)動(dòng)的欠驅(qū)動(dòng)AUV 為研究對(duì)象，將級(jí)聯(lián)方法的編隊(duì)航行協(xié)調(diào)控制方法與HRVO 避障策略相結(jié)合，提出了一種基于AUV 編隊(duì)式航行的無(wú)碰協(xié)調(diào)控制技術(shù)，使各AUV可以同時(shí)避開(kāi)一般障礙物和其他AUV 的碰撞危險(xiǎn)，快速收斂到各自的參考路徑，保持編隊(duì)的協(xié)調(diào)一致性。

1 AUV 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 為AUV 控制決策中的編隊(duì)協(xié)調(diào)控制模塊和避障模塊。在編隊(duì)控制模塊中，首先單個(gè)AUV 根據(jù)預(yù)設(shè)的參考路徑，利用級(jí)聯(lián)的方法設(shè)計(jì)路徑跟蹤控制器，控制每個(gè)AUV 跟蹤上自身的參考路徑；再利用路徑參數(shù)一致性算法，使得各AUV 在編隊(duì)中達(dá)到期望的速度和位置，并在每一步的計(jì)算中輸出需調(diào)整的角度和速度。在局部避障模塊中，通過(guò)自身的感知設(shè)備和通信設(shè)備感知存在可能發(fā)生碰撞的障礙物，然后將它們的速度和方位信息輸入到AUV 中，再利用改進(jìn)的HROV 避障算法得到調(diào)整以后的新速度。最后，在行為協(xié)調(diào)模塊中根據(jù)仲裁規(guī)則決定最終的轉(zhuǎn)向和變速指令，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的力矩輸入到AUV 中從而更新自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖1 編隊(duì)運(yùn)動(dòng)中AUV 的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 基于級(jí)聯(lián)的AUV 編隊(duì)協(xié)調(diào)控制

2.1 編隊(duì)中的AUV 運(yùn)動(dòng)模型

在Serret-Frenet坐標(biāo)系中建立AUV 的運(yùn)動(dòng)模型［8］，引入地面坐標(biāo)系{N}，載體坐標(biāo)系{B}和參考曲線上點(diǎn)的切矢向量構(gòu)成的坐標(biāo)系{SF}，如圖2所示。圖中，β 表示側(cè)滑角，φe數(shù)值等于航向角φ 與路徑參考點(diǎn)P 的方位角φp之差，定義為航向角跟蹤誤差。

圖2 Serret-Frenet坐標(biāo)系下AUV 運(yùn)動(dòng)模型

AUV 水平面的運(yùn)動(dòng)方程如式（1）所示。

式中，ηi表示第i 個(gè)AUV 的實(shí)際位置；ηpi表示該AUV 在參考路徑上的虛擬參考點(diǎn)；vL表示編隊(duì)期望路徑變化率。式（6）表示編隊(duì)中的各AUV 應(yīng)滿足自身的路徑跟蹤要求，式（7）～式（8）表示AUV 整體一致性的要求。

2.2 編隊(duì)協(xié)調(diào)控制設(shè)計(jì)

用期望前向速度ud定義期望側(cè)滑角βd和期望合成速度Ud，在計(jì)算中用期望側(cè)滑角代替實(shí)際側(cè)滑角，可有效避免對(duì)輸入X 的一階導(dǎo)數(shù)進(jìn)行計(jì)算［9］。如下式所示。

圖3 編隊(duì)航行中AUV 的相對(duì)位置

將式（9）～式（10）代入式（4）～式（5），可得：

研究名義系統(tǒng)

定義Lyapunov 函數(shù)

并令其導(dǎo)數(shù)負(fù)定，結(jié)合文獻(xiàn)［6，10］中單AUV路徑跟蹤控制器設(shè)計(jì)，可得編隊(duì)控制各控制參數(shù)應(yīng)滿足：

3 AUV 避障策略

圖5 HRVO 避障策略

本文選擇HRVO 和VO 速度概念相結(jié)合的方式作為編隊(duì)中AUV 的避障策略，編隊(duì)集合記為A，對(duì)于AUVi，與其他可能發(fā)生碰撞的AUVj采用HRVO 避障策略，而與一般障礙物的避障則采用VO 速度避障策略，總的避障策略可表示為下式。

4 行為協(xié)調(diào)機(jī)制

5 仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本文提出的AUV 編隊(duì)式航行無(wú)協(xié)調(diào)控制技術(shù)，本文以R EM U S［19］型AUV 為研究對(duì)象，在Matlab 仿真軟件中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)部分，編隊(duì)協(xié)調(diào)控制技術(shù)驗(yàn)證和加入障礙物的無(wú)碰協(xié)調(diào)控制技術(shù)驗(yàn)證。

圖6 AUV 編隊(duì)協(xié)調(diào)控制

圖7 AUV 無(wú)碰路徑跟蹤技術(shù)示意圖

6 結(jié)論

本文提出了一種包含編隊(duì)協(xié)調(diào)控制和無(wú)碰策略等多種基本行為融合的多自主水下航行器無(wú)碰協(xié)調(diào)控制技術(shù)，仿真結(jié)果表明，該算法滿足設(shè)計(jì)要求，可在多種障礙物環(huán)境下形成編隊(duì)控制。