2种典型AUV编队控制算法比较与局部优化研究.pdf

第45卷第2 4期2023年12 月舰船科学技术SHIP SCIENCEAND TECHNOLOGYVol.45,No.24Dec.,20232种典型AUV编队控制算法比较与局部优化研究郑鹏，曹园山，张超，王健，徐令令（中国船舶科学研究中心水动力学国家重点实验室，江苏无锡2 140 8 2）摘要：本文研究分析了基于领航者-跟随者的编队控制方法和基于路径跟随的编队控制方法等2 种常用的AUV编队控制方法异同点。针对2 种方法在路径点切换时航向变化较大的共性问题，提出采用B样条曲线对规划航路做在线的局部B样条拟合优化，对路径切换点处领航AUV的控制航向角作适度平滑处理。通过数值仿真验证了该方法可改善路径切换时，基于领航者-跟随者的编队控制中的跟随AUV目标跟踪位置变化速度和曲率，削弱了跟随AUV的点跟随难度；同时在路径跟随的编队控制中，利用B样条基函数自变量作为在切换点附近路径的同步控制参数的一部分，可提高切换点附近路径上编队的同步速度。关键词：领航跟随；路径跟随；AUV编队控制；局部路径B样条优化中图分类号：U661文章编号：16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)2 4-0 10 2-0 6Comparison and local optimization of two typical AUV formation control algorithms(State Key Laboratory of Hydrodynamics,China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China)Abstract:In this paper,we investigate two common AUV formation control methods:leader-follower formation con-trol method and path-following formation control method.we found an interesting but small problem of the two methods,theAUV changes course Angle too much near the waypoint point.Then we propose a local B-spline fiting optimization of theplanned route to solve this problem.Numerical simulation results show that the proposed method can improve the change ve-locity and curvature of the following AUVs position in the leader-follower formation control during path switching,andweaken the difficulty of point following.At the same time,in the path following formation control,the B-spline basis func-tion independent variable is used as a part of the synchronization control parameters of the path near the switch point,whichcan improve the synchronization speed of the formation on the path near the switch point.Key words:leader-follower;path following;AUV formation control;local path B-spline optimization0引言多AUV系统由于具有分布、允余的特点，在效率、经济、可扩展等方面相较单AUV系统具有很大优势，成为了近十余年来AUV装备的研究热点之一。多种AUV系统编队控制方法被提出并得到实际应用，如基于领航者-跟随者的编队控制-3、基于虚拟结构的编队控制4、基于势函数的编队控制5、基于一致性的编队控制4.6、基于行为的编队控制7、基于路径跟随的编队控制7-9 等。其中，基于领航者-跟随者和基于路径跟随等2 种编队控制方法由于自身优点，得到了更广泛的工程应用。收稿日期：2 0 2 2-11-2 4作者简介：郑鹏（19 9 4-），男，工程师，研究方向为动力学与控制。文献标识码：AZHENG Peng,CAO Yuan-shan,ZHANG Chao,WANG Jian,XU Ling-Lingdoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.24.019基于领航者-跟随者的编队控制方法控制结构简单、容易实现，只需设定领航者的期望路径，然后跟随者以预定的位置偏移跟随领航者即可实现编队控制。基于路径跟随的编队控制方法将编队控制任务进行时空分解，得到空间上的路径跟随任务和时间上的协调同步任务，进而实现协调编队控制。协调同步任务进行多AUV间的路径同步信息交换。该方法具有交换数据量很小，且短时通信链路故障下AUV仍可沿预设路径航行的特点，也成为近年比较热门的AUV编队控制研究方法。基于领航者-跟随者的编队控制方法需要解决的关第45卷键问题是如何获得领航者的位置信息、航向信息。同时，该方法十分依赖领航者AUV的性能。在领航者AUV切换航向时，跟随者AUV跟踪的目标位置迅速变化，造成跟随者跟随速度抖动。而基于路径跟随的编队控制方法需要解决的关键问题是多AUV间路径同步信息定义并据同步信息完成各AUV间的速度协调。一般情况下，可以航行距离的百分比作为同步信息，但在路径拐点为保持较好的队形各AUV所需航行路径长度不一。同时，AUV欠驱动、回转半径限制、路径点切换距离设计、路径偏差距离客观存在等因素，在航行路径为不规则的曲线，较难定义合适的同步信息以实现编队的协调同步。针对上述2 种方法在路径切换点附近的共性问题，本文采用B样条曲线对规划航路做在线的局部B样条拟合优化，对路径切换点处领航AUV的控制航向角作适度平滑处理，改善路径切换时，基于领航者-跟随者的编队控制中跟随AUV的目标跟踪位置变化速度和曲率，削弱了跟随AUV的点跟随难度。对于基于路径跟随的编队控制采用B样条基函数自变量t作为路径拐点附近协调同步参数的一部分，增加局部路径在路径同步调整的权重。最后，通过典型AUV平台水动力模型，采用2 种AUV编队控制算法进行编队航行数值仿真，并对比分析2 种方法的异同点及局部优化改进的效果。1问题描述与局部路径优化1.1路径切换附近的编队队形抖动问题基于领航者-跟随者的编队控制中，一般领航AUV执行路径跟随任务，路径跟随任务一般通过组成路径的路径点序列发送给领航者AUV。跟随者AUV通过接收领航者AUV的位置和航向，并根据队形设定计算跟踪位置点，进行点跟综，从而实现编队控制。坐标系与角度定义如图1所示。一般将AUV编队控制限定在水平面内，路径由路径点序列P表示：P=Pi,P2,.Pi,Pi+1,Pi+2,.Pn,i=1,2,.n-2,P;Pi+1，Pi+1Pi+2(i=1,2,.,n-2)不平行。在路径切换点Pi+1前后，路径由P;Pii切换至Pi+1Pi+2，根据领航者AUV位置P。距路径切换点的距离PaPii/小于阈值a(R,(pP,Pii,PaPu2)）作为路径切换判断依据。其中，R为AUV的回转半径、diI一直成立）。考虑一定的机动需要一定的提前量，本文取路径切换判断距离d=2R，在进行局部路径B样条拟合时，取(d/V3cos i+1 0.5,docosi+10.5,(d)V3d-0.5 cos i+1 0,(2dcos i+1-0.5。在基于路径跟随的编队控制方法中，首先根据领航者AUV的路径点序列P及跟随者与领航者的相对位置用(o,)计算获得跟随者AUV的路径点序列Pf=AUV在路径P;Pi+i上时，路径同步控制参数可取为：/PaPil/P.Pill(16)PfP/其中，2、f分别为领航者与跟随的同步控制参数。当PaPiidi+，切换路径时，路径同步参数取为：=/Pa Pil/P.Piui+,(17)其中，ta、t f 分别为领航者和跟随者在局部B样条拟合路径上定义的同步参数，参考上文路径参数。2.3航速调整策略在基于领航者跟随者的编队控制中，根据跟随者位置Pf与目标跟踪点位置p的距离调整航速：u,lpg-Pl8282105式中：u、a 分别为领航者的航速与跟随者的期望航(14)速；k1、Si 分别为航速调整系数与跟踪误差参考值；k2、S2 分别为基于路径跟随的编队控制中航速调整系数与同步参数偏差参考值。3数值仿真3.1领航AUV路径跟随优化前后对比NPSAUV在2 kn航速下完成给定路径的跟随任务，设计航行路径为（单位：m）：PI=(250,0),P2=(350,0),P3=(350,500),P4=(550,500),Ps=(550,0),P6=(800,250),(15)P7=(800,850),Pg=(550,600),P=(300,600),P10=(550,850),P11=(300,850),P12=(50,600),P13=(-100,600),P14=(-100,0),P15=(-500,0)。航向采用比例微分控制，控制系数取：Kp=0.5,Kd=0.5。采用改进视线法进行路径跟随，仿真可得其循迹轨迹如图3所示。Original800Optimization700Reference600500S.4003002001000-2000200400600 800 x/m图3优化前后路径跟随任务航行轨迹对比Fig.3 Trajectory comparison of the path following tasks在路径转换点处根据路径夹角设计局部路径的B样条曲线拟合，可以优化AUV模型循迹效果。同时AUV的航向过渡更加平滑，如图4所示。150Original100ptimization500(18)-50-100-1500500100001500200025003000/s图4优化前后路径跟随任务控制航向角对比Fig.4Course angle comparison of the path following task3.2基于领航跟随的AUV编队控制仿真(19)跟随AUV与领航者AUV的相对位置为：(p,)=(50,45)，航速调整系数ki=0.1m/s，跟踪误差参考值Start10681=5m。仿真得到基于领航跟随的控制算法领航者AUV航行轨迹及跟随AUV的目标跟踪点轨迹，如图5所示。可以看出，在路径切换点前后领航AUV航向角%的变化都较大，导致编队队形在切换点保持效果不佳。在局部进行B样条曲线拟合后，对跟随AUV的目标跟随点局部路径上过渡曲率和速度有改善，对编队队形的保持具有积极意义。采用局部B样条优化的路径进行基于领航者跟随者的编队控制仿真，领航AUV与跟随AUV的航行轨迹如图6 所示。跟随AUV与领航AUV距离时间历程如图7 所示，得益与跟踪点曲率及变化速度的改善，8006004002000400-2000200400600800 x/m图6 基于领航者跟随者控制的AUV编队轨迹Fig.6AUV formation trajectory based on leader-followerformation control method12010080604020001000200030004000500060007000图7 跟随AUV与领航AUV距离时间历程Fig.7 Tracking distance between leader and follower舰船科学技术900-Leader AUv-Optimizationfollowers tracepoint800-Originalfollowers tracepoint700600500三3.4003002001000200-1000100200300400500600700800 x/m图5优化前后跟随AUV的目标跟随点轨迹对比Fig.5The target tracking point trajectory comparison of the following AUV before and after optimization跟踪误差有所减小。3.3基于路径跟随的AUV编队控制仿真跟随AUV与领航者AUV相对位置为：(p,)=(50,45)，航速调整系数k2=0.05，同步参数误差参考值8 2=0.1。仿真得到路径跟随的AUV编队控制算法的AUV编队航行轨迹，路径跟随算法领航者AUV与跟随者AUV均采用改进视线法进行路径跟随任务，跟随AUV的路径点通过领航AUV的路径点及相对偏移距离计算获得。路径切换点局部采用B样条曲线拟合，并将拟合参数t作为协调同步参数的一部分，在路径切换点附近调整跟随AUV的航速。仿真结果如图8所示。-LeaderAUV800-.FollowerAuvPath600三4002000-400-20002004006008001000 x/m图8 基于路径跟随控制的AUV编队轨迹Fig.8AUV formation trajectory based on path follow formationcontrol method一优化前优化后设定距离t/s第45卷LeaderAUV-Optimization fllowers tracepoint100Original followerstracepoint50三0-50200250300350400 x/m领航AUV及跟随AUV的航速如图9 所示。在路径切换附近，通过局部路径的同步参数引人，航速调整更迅速。3.42种编队控制方法的控制效果比较从仿真实现的角度来说，基于领航者-跟随者的AUV编队控制结构简单，跟随者以领航AUV的位置及航向为输人，根据设定的相对方位及距离进行点跟踪，完成编队任务。整体编队队形的保持效果依赖于领航AUV位置及航向的实时获取、跟随AUV自身较第45卷2.01.51-S.t1.0.u/n0.50-0.5-1.0图9 领航AUV与跟随AUV的航速调整时间历程Fig.9Speed adjustment time history of the leader AUV and thefollowerAUV高的机动性或平滑的路径设置。基于路径跟随的AUV编队控制队形保持则更加依赖合理的路径同步参数定义及AUV的速度调整性能。4结语本文通过B样条曲线进行局部路径拟合，改善了基于领航者-跟随者的编队控制方法和基于路径跟随的编队控制方法等2 种常用的AUV编队控制方法，在路径切换点附近的编队控制效果。针对基于领航者-跟随者的编队控制，通过B样条曲线在路径切换点附近根据路径变化角度、路径点切换距离确定拟合路径控制点，对局部路径平滑处理。该处理方式改善了领航AUV的路径跟随效果，削弱了领航AUV切换航向导致计算的跟随AUV跟踪目标位置变化速率，使得跟随AUV在进行点跟随时的路径更平滑。针对基于路径跟随的编队控制，通过B样条曲线对领航AUV和跟随AUV的切换点处路径进行光滑化处理，同时利用B样条基函数自变量参数t作为在切换点的局部路径协调同步参数的一部分，提高了在切换点附近编队的时间同步速度。参考文献：1 EDWARDS D B,BEAN T,ODELL D,et al.A leader-follow-er algorithm for multiple AUV formationsCJ/AutonomousUnderwater Vehicles,Sebasco,Maine,The United State,2004.IEEE,2004:501-509.2 CALADO P,SOUSA J.Leader-follower 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