基于数据驱动状态预估器的AUV通信延时主动补偿方法与流程

基于数据驱动状态预估器的auv通信延时主动补偿方法
技术领域
1.本发明涉及水下机器人领域，特别是一种基于数据驱动状态预估器的多自主式水下机器人(autonomous underwater vehicle，auv)通信延时主动补偿方法。


背景技术：

2.auv在海洋资源开发利用、海底地形测绘、近海防御和军事侦察等民事和军事领域扮演重要的角色。对于一些复杂海洋作业任务，如大范围海底地貌勘测和水下多目标打击等，单个auv由于可携带负载、航程、航速等方面的限制，难以满足作业要求，应用多auv搭载不同设备，并建立编队运动控制机制，使多auv进行协同合作，能够更高效且高质量地完成任务。auv的信息交互是auv实现编队的前提，在水下auv之间一般是依靠水声通信来进行信息传输，由于水声通信的传播速度低，导致auv之间存在通信延时，如果在auv编队控制中不处理通信延时问题，会使得auv编队控制的精度降低，甚至无法实现auv编队。因此，研究auv编队控制中通信延时的处理方法具有重要的现实意义，可为多auv协同进行海洋作业提供保障。
3.华中科技大学杨波等人在《华中科技大学学报》2009年第2期上发表题为“具有通信约束的分布式水下航行器群编队控制”，应用反馈线性化方法将auv非线性运动数学模型线性化，结合一致性算法设计了通信延时下的auv编队控制律，基于lyapunov
‑
krosovskii函数和线性矩阵不等式给出了通信延时下使auv编队闭环控制系统稳定的auv编队控制律设计参数的范围，从而实现通信延时下auv编队控制。西北工业大学闫伟等人在《火力指挥控制》2011年第6期上发表题为“通信延时下欠驱动自主水下航行器编队控制”的论文，将多auv编队问题转变为每个auv的路径跟踪问题，再应用一致性算法设计了基于考虑通信延时的路径参数的多auv同步控制律，并基于分布式一致性算法稳定性理论给出了使得多auv同步控制律的设计参数范围，从而实现通信延时下多auv的编队。然而，上述文献中，所设计的auv编队控制律仅仅通过理论分析给出了通信延时下实现auv编队的充分条件，且均利用了auv延时的运动状态信息，而没有去处理通信延时问题，仅是适应了存在通信延时的情况；此外，由于应用了一致性算法，使得auv编队控制律的结构固定，无法进一步与其它先进控制理论方法结合，改善控制效果。
4.中国发明专利cn108594845a公开了一种通信限制下基于预测控制的多auv编队方法，首先基于逆推方法设计auv协同路径跟踪控制律，然后引入协同跟踪误差预测模块，来处理auv通信延时的影响。然而，此专利要求auv运动数学模型参数是精确已知的。


技术实现要素：

5.为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种基于数据驱动状态预估器的多auv通信延时主动补偿方法，从根本上解决auv运动数学模型参数未知情况下的多auv间的通信延时问题，从而实现存在通信延时情况的auv编队控制。
6.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于数据驱动预估器的多auv通信
延时主动补偿方法，所述的多auv包括n个auv，定义第j个auv当前的实际运动状态为x
j
(t)；所述的通信延时表示为t
ij
，在当前时刻，第i个auv接收到的其某一邻居auv即第j个auv的存在延时的运动状态为x
j
(t
‑
t
ij
)，i＝1,2,
…
,n，j＝1,2,
…
,n；所述的主动补偿方法包括以下步骤：
7.a、建立x
j
(t
‑
t
ij
)的自回归模型
8.建立x
j
(t
‑
t
ij
)的自回归模型如下：
[0009][0010]
式中，λ
ij
为自回归模型的待定阶数；
[0011]
表示第j个auv的λ
ij
个存在延时的历史运动状态向量，为λ
ij
维未知参数向量，ε
ij
(t)表示建模误差。
[0012]
b、确定自回归模型的待定阶数λ
ij
的值
[0013]
根据如下akaike信息量准则确定λ
ij
的值：
[0014]
首先，为x
j
(t
‑
t
ij
)的自回归模型(1)定义akaike信息量准则函数aic(λ
ij
)如下：
[0015][0016][0017]
式中，ln(
·
)表示自然对数，表示建模误差方差，为的估计值，m＝1,2,
···
,λ
ij
，n为一个正整数；假设自回归模型(1)的最大阶数为依次计算确定自回归模型(1)的阶数为
[0018]
c、设计参数向量的在线更新律
[0019]
设计参数向量的在线更新律如下：
[0020][0021][0022]
式中，为的估计值，p
ij
为λ
ij
×
λ
ij
维的辅助设计矩阵，和分别为和p
ij
的导数，k
1,ij
和k
2,ij
为正的设计常数。
[0023]
d、设计第j个auv的数据驱动状态预估器
[0024]
设计第j个auv的数据驱动状态预估器如下：
[0025][0026][0027]
式中，和分别表示和的预估值。当l
ij
＝λ
ij
时，第i个auv得到其邻居第j个auv的当前实际运动状态x
j
(t)的预估值
[0028]
e、实现通信延时的主动补偿
[0029]
在第i个auv的编队控制律设计中，应用基于状态预估器(7)获得的其邻居第j个auv的当前实际运动状态x
j
(t)的预估值实现通信延时的主动补偿。
[0030]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0031]
1、本发明通过设计状态预估器在线实时预估邻居auv的当前实际运动状态，并将预估值应用于编队控制律设计中，可以实现auv通信延时的主动补偿。
[0032]
2、本发明提出的多auv间通信延时的主动补偿方法对auv编队控制律的设计方法没有限制，可灵活应用各种先进编队控制理论方法。
[0033]
3、本发明提出的多auv间通信延时的主动补偿方法是数据驱动的，不依赖于auv运动数学模型，因此，不要求auv运动数学模型参数及结构的先验知识。
附图说明
[0034]
图1为基于数据驱动状态预估器的多auv通信延时主动补偿方法原理图。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1所示，一种基于数据驱动状态预估器的多auv通信延时主动补偿方法原理为：利用第j个auv存在延时的运动状态x
j
(t
‑
t
ij
)和λ
ij
个存在延时的历史运动状态向量x
j,past
(t
‑
t
ij
(t))，建立x
j
(t
‑
t
ij
)的自回归模型，并设计自回归模型参数向量的在线更新律；基于上述，设计auv数据驱动状态预估器，给出第j个auv当前实际运动状态x
j
(t)的预估值将应用于在第i个auv的编队控制律设计中，从而实现多auv间存在的通信延时的主动补偿。
[0036]
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。