控制约束下的多AUV编队路径跟踪

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1、第27卷第11期计算机仿真2010年11月文章编号：1006—9348(2010)11—0144—04控制约束下的多AUV编队路径跟踪肖宁，徐德民，严卫生，高剑(西北工业大学航海学院，陕西西安710072)摘要：对水下航行器路径跟踪优化控制问题，研究了控制约束下的多AUV编队路径跟踪问题。由于滚动时域控制能够有效处理约束的优势，为提高系统稳定性，提出了一种分布式控制方法。各AUV在每个控制更新时域，根据自身状态向量与控制向量的实际值与其邻居状态向量的预测值，令给定的带有末端项的性能指标最优计算出作用于下一个控制时域的控制输入，并计算出预测控制，向其邻居发送。从理论上证明了算法的稳定性。仿真结

2、果表明，所设计的控制方法能够在功率消耗较小的情况下实现多AUV的编队路径跟踪。关键词：自主水下航行器；编队控制；路径跟踪；滚动时域控制中图分类号：TP273+．2；TP242文献标识码：BTrajectoryTrackingofMulti——AUVFormationunderControlConstraintXIAONing，XUDe—min，YANWei—sheng，GAOJian(CollegeofMarine，NorthwesternPolytecnicalUniversity，Xi’anShanxi710072，China)ABSTRACT：Tr~ectorytrackingofmu

3、lti—AUVformationundercontrolconstraintwasstudiedinthispaper．Adis—tributedrecedinghorizoncontrollawwasproposedduetoitsadvantageindealingwithconstraints．Ateachcontrolupdatehorizon，accordingtotheactualvaluesofthestatetrajectoryandcontroltrajectoryofeachAUVandthepre·dictvaluesofitsneighbors，eachAUVcomp

4、utestheoptimalcontroltrajectorytobeimplementedinthenextcontrolhorizon．Toobtaintheoptimalcontroltrajectory，theoptimaltrackingvaluefunctionintroducedinthearticleismini—mizedwithaterminateterm．TheneachAUVcalculatestheassumedcontroltrajectory，andsendsittoitsneighbors．Globalstabilitywasprovedtheoretical

5、ly．SimulationresultsshowthattheAUVscanconvergetothedesiredformationinfinitetime，meanwhile，thepowerconsumptionislow．KEYWORDS：Autonomousunderwatervehicle(AUV)；Formationcontrol；Trajectorytracking；Recedinghorizoncon—trol1引言本文利用滚动时域控制在线处理约束能力强的特点J，多自主水下航行器(AUV)协同工作可以完成单AUV难给出一种分布式多AUV编队控制方法。其主要思想是：邻以完成的

6、任务。多AUV的编队控制问题已经成为AUV研居之间互相发送预测控制轨迹，用来计算邻居的预测状态轨究领域的热点。对于多AUV编队系统而言，AUV之间保持迹；在每次控制更新时刻求解最优控制，令给出的编队性能一定的队形的同时，有路径跟踪任务的AUV还要进行路径指标达到最小，从而实现编队的形成与保持。所定义的性能跟踪。在系统设计时，还要考虑到控制、状态等各种约束。指标包括：①状态综合指标，用来衡量实际状态与平衡点之目前的编队控制方法主要有：领航者一跟随者方法⋯、间的综合误差；②能量指标，用来衡量控制能量消耗的大小；基于行为的方法、虚拟结构方法等。领航者～跟随者方③终端指标，以保证在终端时问误差足够小

7、。针对滚动时域法应用最广泛，结构简单。但是当领航者失效时，整个队伍控制稳定性不易证明的困难，利用文献[5]中定义的预测控都会失效。基于行为的方法难以用数学方法分析其稳定性，制，从理论上证明了算法的稳定性。最后通过仿真实验验证算法的有效性。并且整个队形难以保证。虚拟结构法能够取得较高精度的轨迹跟踪效果。其缺点是要求队形像一个虚拟结构运动，缺乏灵活性和适应性。基金项目：国家自然科学基金(60875071)收稿日期