1.一种用于海底光缆铺设的多水下机器人编队，采用一主多从的逆主从结构设计，其特征在于，包括单台埋设用主水下机器人和多台从水下机器人，所述单台埋设用主水下机器人沿着随机的海底光缆铺设路径与海底保存一定固定高度前进作业，所述多台从水下机器人通过柔性拖拽缆绳牵引埋设用主水下机器人。

2.根据权利要求1所述的用于海底光缆铺设的多水下机器人编队，其特征在于，所述埋设用主水下机器人搭载高压水枪与切割犁。所述多台从水下机器人给主水下机器人提供额外动力，行驶编队为从水下机器人在前，主水下机器人在后。

3.一种用于海底光缆铺设的多水下机器人编队的避碰控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：定义逆主从式水下机器人编队与预设跟踪路径；

步骤2：逆主从式水下机器人编队的虚拟结构体受力分解；

步骤3：逆主从式水下机器人编队虚拟结构体的渐进生成；

步骤4：逆主从式水下机器人编队虚拟结构体中质点位置的调整；

步骤5：逆主从式水下机器人编队虚拟结构体中质点间的避碰。

4.根据权利要求3所述的用于海底光缆铺设的多水下机器人编队的避碰控制方法，其特征在于，在所述步骤1中，定义逆主从式水下机器人编队与预设跟踪路径：设t时刻沿预设铺设路径的埋设用主水下机器人在固定坐标系E‑ξηζ下的坐标为E’，其中ξ指向正北、η指向正东、ζ指向地心，如此可将预设路径的经纬度转化为埋设用主水下机器人在固定坐标系下的路径描述，如公式(1)所示：

T

E′(t)＝[ξ(t) η(t) ζ(t)]         (1)主/从水下机器人组成逆主从式编队，i台从水下机器人通过柔性拖拽缆绳牵引埋设用主水下机器人，定义从水下机器人的重心位置为Pi，下标i标识从水下机器人的编号。

5.根据权利要求4所述的用于海底光缆铺设的多水下机器人编队的避碰控制方法，其特征在于，在所述步骤2中，逆主从式水下机器人编队的虚拟结构体受力分解：t时刻牵引力F(t)使埋设用主水下机器人跟踪预设路径，牵引力F(t)为虚拟结构体中制导力，在该力的作用下埋设用主水下机器人克服埋设铺设装置的阻力、外部洋流干扰力沿预设路径前进，由从水下机器人牵引埋设用主水下机器人，因此将F(t)分解到i台从水下机器人，则如公式(2)有：

以从水下机器人01为例进行牵引力分析，从水下机器人01重心为P1，连接埋设用主水下机器人重心E’，两者之间采用柔性拖拽缆绳连接，即从水下机器人01通过柔性拖拽缆绳连接牵引埋设用主水下机器人，缆绳长度为I1，忽略缆绳形变与弯曲，其产生牵引力为F1，将其在固定坐标系E‑ξηζ下分解，则ζ轴为Fx1，η轴为Fy1，ζ轴为Fz1。牵引力F1与ζ轴的夹角为α1、牵引力F1与η轴的夹角为β1、牵引力F1与ζ轴的夹角为γ1，即：如公式(3)所示，将1～i台从水下机器人的牵引力在固定坐标系E‑ξηζ分解，并将其列写为路径跟踪时所需的总推进力则有：公式(4)中Fz为埋设用主水下机器人的埋设阻力，ΔFσ为水下洋流干扰力，Δδ为其他扰动力，牵引力、埋设阻力与干扰力采用矢量幅值和角度进行描述。

6.根据权利要求5所述的用于海底光缆铺设的多水下机器人编队的避碰控制方法，其特征在于，在所述步骤3中，主/从水下机器人均是虚拟结构体的质点，其质点模型：公式(5)中qi为第i个质点在固定坐标系E‑ξηζ下的位置，pi为其速度，ui为其控制输入，构建其控制输入则有：

ui＝c1(qri‑qi)+c2(pri‑pi)+fi+fi，k         (5)公式(5)中c1为位置误差反馈系数，c2为速度误差反馈系数，qri与pri为期望的虚拟结构体中第i个质点对应的位置与速度，fi为人工势场的负梯度项，fi，k为编队避障项；

第i个质点处于邻近其他质点产生的势场中，因此第i个质点总势能为：公式(6)中 为势能函数，||x||为向量的模，这里所述的作业环境中，主从水下机器人有拖拽缆绳直接连接，因此只需要设置用于质点避碰的人工势场构造势函数：公式(7)中k为势场强度系数，R为势场作用范围。为了避免人工势场函数对队形造成干扰，最终队形中质点之间的距离还需要大于势函数的作用范围：构建线性二阶系统模拟虚拟编队的渐进生成过程：根据赫尔维茨定理，当公式(9)中c1＞0且c2＞0时系统稳定，系统的自然频率与相对阻尼系数为：

选择合适的c1、c2＞0使该公式(10)所示的二阶系统形成一个过阻尼系统，有助于虚拟结构体的渐进生成。

7.根据权利要求6所述的用于海底光缆铺设的多水下机器人编队的避碰控制方法，其特征在于，在所述步骤4中，逆主从编队沿预设路径前进时，定义如下规则约束质点的调整：规则一：水下机器人推力方向

每个质点提供牵引力，质点所代表的从水下机器人效率最大时，对水下机器人的姿势有所要求，即船身轴向安装的主推进器推力大于其他辅助推进器提供的推力，如公式(11)所示，将质点在固定坐标系E‑ξηζ分解所得牵引力Fi转为为运动坐标系O‑xyz的牵引力Fi′，再将Fi′分解至运动坐标系xyz轴，并满足：F′ix≥F′iy∩F′ix≥F′iz               (12)规则二：虚拟结构体变化最小

分解虚拟结构体所有质点的牵引力至固定坐标系E‑ξηζ则有：由公式(13)可见虚拟结构体只要质点产生的牵引矢量合力符合路径跟踪要求即可，质点调整方案有若干种。考虑到水下机器人海底光缆铺设与维修系统能量有限，因此基于能耗最小＞动态响应的优先级设计质点调整方案，计算每个质点与ξηζ轴的角度，则有：公式(14)中Jtheta为质点调整方案的评判指标，Jtheta最小时，所有质点变化的角度最小，即能耗最小，如此将虚拟结构体变化调整问题转为动态规划问题，规则三：虚拟结构体的稳定性

虚拟结构体是一个形状可变的不规则锥体，锥体为埋设用主水下机器人的重心，底面中的各点为从水下机器人的重心，主从水下机器人的重心构成一条直线。如果任意两条直线发生重叠，则从水下机器人会发生碰撞或者缆绳缠绕从而影响虚拟结构体的稳定性，qm≠qn m，n∈[1，i]                        (14)公式(14)中q为质点的位置，下标m，n分别表示编号为m与n号的从水下机器人。

8.根据权利要求7所述的用于海底光缆铺设的多水下机器人编队的避碰控制方法，其特征在于，在所述步骤5中，逆主从式水下机器人编队虚拟结构体中质点间的避碰，包括以下子步骤：

步骤5.1质点间的避碰

质点间的避碰，即虚拟结构体中多个从水下机器人之间的避碰，需要在步骤3设置合适的势场强度系数k和势场作用范围R，其具体过程与步骤3相同；

步骤5.2虚拟结构体主从质点间的避碰随着铺设路径的前行，虚拟结构体主从质点，即主/从水下机器人的位置均发生变化，(1)选择虚拟结构体中任意一条主从质点牵引力为垂直轴构建降维平面S，(2)在固定坐标系E‑ξηζ中计算出虚拟结构体中每个质点的坐标。质点坐标实际上是其代表的水下机器人应在的位置，

*

(3)以t时刻F1(t)的牵引受力为垂线构建正交平面S，其投影点记为F1(t)，该点是正交平面5的基点，因此位置不会发生变化，(4)将其他质点牵引力投影到平面S，如果该质点牵引力与基准牵引力在平面S中同侧，记为“+”号，即两者同向有可能发生碰撞，如果在平面5中异侧，记为“‑”号，即两者异向不可能发生碰撞，

* *

(5)重复第(4)步，分析t+1、t+2、…t+k时刻其他质点牵引力投影位置，+Fi(t+1)、+F i(t*

+2)、…+Fi(t+2)的投影位置与运动轨迹，就可以知道是否有主从质点牵引力重合，并对未来是否会发生重合进行预测，

步骤5.3从水下机器人牵引缆绳间的避碰牵引缆绳间的避碰实质上是对虚拟结构体质点历史行驶轨迹的控制。与判定虚拟结构体主从质点间的避碰相类似，按照步骤5.2的顺序，逐个构建作为质点的多个从水下机器人行驶路线投影图，根据投影判定作为当前判定基准的从水下机器人行驶路线是否已有其他从水下机器人行驶过，并且可以根据其他从水下机器人的行驶投影预测未来的某个时刻是否会发生碰撞。