編隊式自主水下航行器無碰協調控制技術研究*

侯新國，潘 昕，畢 敏

（1.海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033；2.湖北宜昌測試技術研究所，湖北 宜昌 443000）

0 引言

編隊式自主水下航行器（AUV）具有作業效率高、功能全面的優勢［1］，在海洋勘探、預警搜索偵察等方面有重大的應用價值。AUV 編隊控制的核心思想是讓多個具有簡單功能的AUV 有機地組成一個團隊，團隊中每個成員都分配有各自的任務，通過一定的控制策略，完成給定的復雜任務。在編隊航行的協調控制中，AUV 如何跟隨各自相應的參考路徑曲線是協調控制的關鍵，即AUV 的路徑跟蹤問題［2-8］。文獻［2-6］基于不同的方法提出了不同的跟蹤控制器，在某些特定指標上得到了較好的控制效果。另外，編隊式航行中必須保證相鄰AUV 位置的約束關系［7-9］，只有滿足路徑跟蹤和相互間的約束關系，AUV 才能作為一個整體協調運動。

另一方面，編隊式AUV 在航行時，由于編隊控制中個體的目標任務或運行狀態的不同，AUV 之間存在避障問題，如何躲避障礙物的碰撞，也是研究的難點。文獻［10］討論了基于模糊推理的避碰策略與路徑跟蹤行為相結合的策略，但文獻中將避碰對象簡化為常規障礙物（指一般不存在避碰意識的物體）的處理是不夠完備的。編隊航行中智能體間的避障與常規障礙物的避障存在差異，如果采用傳統避障方法如模糊推理方法［10］，時間系數分層控制策略［11］，混合整數線性規劃［12］等方法，避碰時會引起相互智能體間產生擺動效應，甚至導致避碰失?。?3］。文獻［13］提出了互惠避障策略（Reciprocal Velocity Obstacle，RVO）概念，對兩個智能體間的避碰定義了具體的策略，智能體僅需要調整速度到互惠速度區域之外，則兩個AUV 就不會發生碰撞。文獻［14-16］在RVO 概念的基礎上，進一步提出了混合互惠避障策略（Hybrid Reciprocal Velocity Obstacle，HRVO），擴大了RVO 的應用場景，將其推廣到多智能體避障的環境。本文以X Y-水平面運動的欠驅動AUV 為研究對象，將級聯方法的編隊航行協調控制方法與HRVO 避障策略相結合，提出了一種基于AUV 編隊式航行的無碰協調控制技術，使各AUV可以同時避開一般障礙物和其他AUV 的碰撞危險，快速收斂到各自的參考路徑，保持編隊的協調一致性。

1 AUV 控制系統結構

圖1 為AUV 控制決策中的編隊協調控制模塊和避障模塊。在編隊控制模塊中，首先單個AUV 根據預設的參考路徑，利用級聯的方法設計路徑跟蹤控制器，控制每個AUV 跟蹤上自身的參考路徑；再利用路徑參數一致性算法，使得各AUV 在編隊中達到期望的速度和位置，并在每一步的計算中輸出需調整的角度和速度。在局部避障模塊中，通過自身的感知設備和通信設備感知存在可能發生碰撞的障礙物，然后將它們的速度和方位信息輸入到AUV 中，再利用改進的HROV 避障算法得到調整以后的新速度。最后，在行為協調模塊中根據仲裁規則決定最終的轉向和變速指令，并將其轉化為相應的力矩輸入到AUV 中從而更新自身的運動狀態。

圖1 編隊運動中AUV 的控制系統結構

2 基于級聯的AUV 編隊協調控制

2.1 編隊中的AUV 運動模型

在Serret-Frenet坐標系中建立AUV 的運動模型［8］，引入地面坐標系{N}，載體坐標系{B}和參考曲線上點的切矢向量構成的坐標系{SF}，如圖2所示。圖中，β 表示側滑角，φe數值等于航向角φ 與路徑參考點P 的方位角φp之差，定義為航向角跟蹤誤差。

圖2 Serret-Frenet坐標系下AUV 運動模型

AUV 水平面的運動方程如式（1）所示。

式中，ηi表示第i 個AUV 的實際位置；ηpi表示該AUV 在參考路徑上的虛擬參考點；vL表示編隊期望路徑變化率。式（6）表示編隊中的各AUV 應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 編隊協調控制設計

用期望前向速度ud定義期望側滑角βd和期望合成速度Ud，在計算中用期望側滑角代替實際側滑角，可有效避免對輸入X 的一階導數進行計算［9］。如下式所示。

圖3 編隊航行中AUV 的相對位置

將式（9）～式（10）代入式（4）～式（5），可得：

研究名義系統

定義Lyapunov 函數

并令其導數負定，結合文獻［6，10］中單AUV路徑跟蹤控制器設計，可得編隊控制各控制參數應滿足：

3 AUV 避障策略

圖5 HRVO 避障策略

本文選擇HRVO 和VO 速度概念相結合的方式作為編隊中AUV 的避障策略，編隊集合記為A，對于AUVi，與其他可能發生碰撞的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 行為協調機制

5 仿真實驗

為驗證本文提出的AUV 編隊式航行無協調控制技術，本文以R EM U S［19］型AUV 為研究對象，在Matlab 仿真軟件中進行仿真實驗。實驗分為兩個部分，編隊協調控制技術驗證和加入障礙物的無碰協調控制技術驗證。

圖6 AUV 編隊協調控制

圖7 AUV 無碰路徑跟蹤技術示意圖

6 結論

本文提出了一種包含編隊協調控制和無碰策略等多種基本行為融合的多自主水下航行器無碰協調控制技術，仿真結果表明，該算法滿足設計要求，可在多種障礙物環境下形成編隊控制。