一种集群式AUV拉网清障系统及控制方法与流程

本发明属于自主水下航行器(auv)领域，具体涉及一种集群式auv拉网清障系统及控制方法。

背景技术：

1、拖网航行是单条或多条水面船只进行水面障碍清除、捕鱼、水下打捞等活动的一种基本作业形式，由于船只一般仅在水面或近水面处拖网，难以对悬浮于深水及接近海底的水下目标(如战争遗留的水雷、失事飞机残骸、沉船及其携带的物品)进行清除、打捞。auv作为一种潜航器，可在水下按预设任务或航路自主航行，且具有一定的运载和拖拉能力，由auv组成的集群可以在水下拖网，开展大深度处的水下作业。auv集群在水下拖网，需要集群中的各auv保持稳定的相对位置和队形。

2、目前，关于集群队形保持及其控制的方法中，所涉及的auv一般都是在个体不受约束的条件下的实现队形保持或变换，即集群中的单条auv在不受绳缆约束的条件下、相对自由地与其它auv组成线形队列、三角形队列或圆形队列等，而拖网航行显然还需要考虑清障网的相对形状及其对auv的影响。另外，目前的auv集群控制方法一般只考虑在二维平面内的队形保持，如公开号为cn113342014a的中国发明专利“一种用于滩头破障的水下航行器编队、系统及方法”，公开了由一定长度的具有柔韧性的缆绳连接两条水下航行器的双auv队列，但这种两条auv之间的协同运动控制方法无法扩展应用于在三维空间内拖网的多条auv组成的集群的队形控制。此外，现有auv集群控制技术一般依赖于水声通信，但目前的水声通信技术水平难以保证集群控制所需的高速率、低延时、高可靠通信的要求。因此，如何实现三维空间内的auv集群的队形保持控制是当前需要解决的重要技术问题。

技术实现思路

1、鉴于上述背景技术中存在的问题，本发明提供一种集群式auv拉网清障系统及控制方法，用以解决在绳网约束条件下，参与拖网的多条auv在三维空间内的协同控制问题。

2、本发明的技术方案为：

3、一种集群式auv拉网清障系统，包括auv集群、清障网、布放装置和操控设备；

4、所述auv集群由具备水下导航、定位、通信能力的auv组成；

5、所述清障网为正多边形，通过开口处的角点与各auv相连；

6、所述布放装置用于各auv入水前的存储，包括箱体、固定于箱体内的发射导杆以及连接于发射导杆上的固定支架，auv通过爆炸螺栓或者电磁吸合装置安装于固定支架上；

7、操控设备包括计算机和操控软件，用于对auv集群进行发射前的任务规划、参数装订以及auv集群处于水面时的遥控。

8、进一步地，所述auv集群中auv的数量保持在3个以上，每个auv均有唯一的识别号，各auv背部等距离安装有三个信号接收器，腹部安装有一个信号发射器。

9、进一步地，所述清障网的开口边缘安装通信线缆，形成环形的通信总线，每个auv与清障网连接的线缆中都包含通信线缆，利用该通信线缆挂接在环形通信总线上，每个auv都是该环形通信总线上的一个节点，可将自身状态信息及感知到的信息以广播的方式共享到总线上，每个auv都可从通信总线上获取其它auv共享的信息。

10、一种集群式auv拉网清障系统的控制方法，包括如下步骤：

11、步骤一：布放前，使用操控设备将auv集群的初始位置及预设航路信息装订到各auv的控制计算机中；

12、步骤二：布放时，通过起爆auv与固定支架连接处的爆炸螺栓，或打开电磁吸合装置，使各auv与固定支架分离，auv集群入水后调整其航向和深度至设定值；

13、步骤三：auv分离后形成预设队形，清障网张开，各auv通过调整自身的速度和航向保持队形稳定，拉动张开的清障网沿预设的航路航行，进行水下障碍物扫除作业；

14、步骤四：清障网被水下目标物阻止后，缠绕在目标物上，拉网的auv绕目标物回旋后爆炸，实现对水下障碍的破除。

15、进一步地，所述步骤三中各auv保持队形稳定的方法具体为：确定一个或多个auv为领队，使其按设定的任务及预先规划的航路航行，其余auv作为跟随者，以领队的位置和速度为参照，调整自身的速度和方向。

16、进一步地，确定领队与跟随者的方法包括如下步骤：

17、1)计算各auv在集群中的偏离度，所述偏离度表示当前auv相对于集群中其它auv的相对距离和相对方位角的加权和；

18、2)单条auv将计算得到的偏离度及自身的识别号，以广播的方式发送给其余auv；

19、3)收到偏离度信息的auv对其余每个auv的偏离度按由小到大的顺序进行排序，对偏离度小于或等于阈值s*的auv，向其发送值为“1”的选票信息；否则，发送值为“0”的选票信息，s*取为偏离度的中位数；

20、4)各auv获得其余auv发来的选票信息，合计得到半数及以上“1”选票的auv即为领队，否则为跟随者。

21、进一步地，所述步骤1)中计算各auv的偏离度包括如下子步骤：

22、1.1)计算当前auv相对于集群中其余auv的方位角

23、

24、其中θki表示当前auv相对于第i个auv的相对方位角；

25、1.2)计算当前auv相对于集群中其余auv的相对距离

26、

27、当上式中时，取δrk＝0；

28、其中rki表示当前auv相对于第i个auv的实际距离，表示正多边形中当前auv所在的点到第i个顶点的理论距离；

29、1.3)计算当前auv在集群中的偏离度，如下式所示

30、sk＝p1δrk+p2δθk

31、其中，p1和p2分别为相对距离和相对方位角的加权系数。

32、进一步地，确定为跟随者的auv以领队的位置和速度为参照，调整自身的速度和方向，对于第i个auv，假设集群中有m个领队auv，第i个auv相对于第j个领队auv的相对方位为θij，vi0为第i条auv当前的速度，则下一控制周期中的期望速度为

33、

34、其中，kθ速度调节的比例系数。

35、进一步地，确定为跟随者的auv以领队的位置和速度为参照，调整自身的速度和方向，对于第i个auv，设其当前时刻俯仰角与偏航角的合成航向角为假设集群中有m个领航auv，则下一控制周期中第i个auv的期望合成航向角度为

36、

37、其中，为第i个auv相对于第j个领队auv的理论相对位置矢量，kr为合成航向角调节的比例系数。

38、进一步地，实际使用过程中，根据auv的速度及合成航向角的上、下限幅值对计算得到的速度和合成航向角进行限幅。

39、本发明的有益技术效果为：

40、1、本发明以轻量化、低成本的auv集群为基本清障单元，以拖网的形式，按照自主规划的航路，对特定区域的水下障碍物(如渔网、渔桩、沉船、战争遗留的水雷等)进行清除，解决了清除水下障碍物遇到的目标精准定位难度大、破除困难、危险性高等问题，提高了清障的安全性和自动化水平。相比传统的采用专用船只安装大型专用设备的清障方案，本发明操作简单、效率高、成本低。

41、2、本发明拖网的auv集群，利用清障网的结构，通过有线通信保证auv之间的可靠通信，通过总线形式的通信使得avu之间可相互共享信息。

42、3、本发明所述auv集群控制方法同样可应用于没有网约束条件下的auv集群的队形保持，本发明还可拓展用于水下打捞、军事物资水下隐蔽运输等场景。