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基于虚拟领航者的多AUV编队鲁棒一致性研究
基于虚拟领航者的多AUV编队鲁棒一致性研究
摘要：随着无人水下航行器（AUV）的广泛应用，多AUV编队的研究成为海洋科学和工程领域的热点之一。编队的一致性是保证多AUV协调工作的关键问题之一。为了解决传统编队控制方法在面临复杂海洋环境时易失去一致性的问题，本文提出了一种基于虚拟领航者的多AUV编队鲁棒一致性控制方法。通过将虚拟领航者引入编队控制系统，实现了鲁棒的编队一致性控制及障碍物回避。通过实验验证了本方法的有效性和鲁棒性。
关键词：无人水下航行器（AUV）；编队控制；鲁棒一致性；虚拟领航者
1.引言
无人水下航行器（AUV）是一种能够在水下自主运行的机器人，并在海洋科学和工程领域中广泛应用。多AUV编队系统可以通过协同工作，实现更为复杂的任务，如海洋勘探、海洋观测以及水下救援等。编队时的一致性是保证多个AUV之间能够协调工作的关键问题之一。然而，在面临复杂的海洋环境时，例如强风、海浪、未知障碍物等，传统的编队控制方法容易失去一致性。因此，寻求一种能够在复杂环境下保持编队一致性的方法是一个重要的研究方向。
2.相关工作
目前，已经有一些研究关注多AUV编队的控制方法。其中，基于领航者-跟随者的方法是最常用的方法之一。在这种方法中，一个AUV被指定为领航者，其余的AUV则跟随领航者的引导行动。然而，这种方法容易受到领航者失效、通信限制等问题的影响，造成编队失去一致性。为了解决这一问题，一些学者提出了虚拟领航者的概念。虚拟领航者是指在编队控制系统中引入了一个虚拟的AUV，用于引导其他AUV的运动。虚拟领航者的引入可以提高编队系统的鲁棒性，并减轻领航者失效的影响。
3.方法介绍
本研究提出了一种基于虚拟领航者的多AUV编队鲁棒一致性控制方法。该方法由两个部分组成：虚拟领航者控制和跟随者控制。虚拟领航者控制的目标是引导编队中的AUV维持一致的位置和航向；跟随者控制的目标是根据虚拟领航者的指令进行运动，保持与虚拟领航者的一致性。具体的控制算法如下所述：
(1)虚拟领航者控制
虚拟领航者首先根据编队的期望形态（如线性、圆形等）计算出其期望位置和航向。然后，根据当前编队中所有AUV的位置和航向信息，计算出虚拟领航者的控制指令。控制指令包括期望速度和期望航向角。为了提高鲁棒性，还可以根据编队中所有AUV的位置误差和航向误差，对控制指令进行修正。
(2)跟随者控制
跟随者根据虚拟领航者的控制指令进行运动。具体来说，根据期望速度和期望航向角，利用反馈控制方法计算出跟随者的控制指令。为了保持与虚拟领航者的一致性，还可以引入一定的距离误差和角度误差补偿策略，使得跟随者能够更好地追踪虚拟领航者的运动。
4.实验与结果
为了验证所提出的方法的有效性和鲁棒性，我们进行了一系列的实验。实验使用了多个AUV，其中一个被指定为虚拟领航者，其他AUV则作为跟随者。通过改变环境条件和系统参数，例如加入障碍物、改变通信质量等，我们测试了编队系统的性能和鲁棒性。
实验结果表明，所提出的方法能够有效地保持多AUV编队的一致性，并且在面临复杂环境时表现出较强的鲁棒性。当领航者失效或通信质量下降时，跟随者能够通过虚拟领航者的引导保持编队一致性，确保编队系统的正常运行。
5.结论
本文提出了一种基于虚拟领航者的多AUV编队鲁棒一致性控制方法。通过引入虚拟领航者，实现了鲁棒的编队一致性控制及障碍物回避。实验结果表明，所提出的方法在面临复杂环境时能够有效地保持编队一致性，并具有较强的鲁棒性。该方法可为多AUV编队系统的设计和应用提供参考。
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