[發明專利]一種基于多無人艇的目標跟蹤協同控制系統和方法

在審

• 申請號: 201810592241.8
• 申請日: 2018-06-11
• 公開（公告）號: CN108873894A
• 公開（公告）日: 2018-11-23
• 發明（設計）人: 周睿;劉亮;李小毛;彭艷;羅均
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 陸聰明

本發明涉及一種基于多無人艇的目標跟蹤協同控制系統和方法。本系統由岸基全局定位主機通過無線通訊模塊連接單無人艇控制系統構成。本方法操作步驟為：1）編隊生成過程：使用拍賣算法找到無人艇群體的收益最大的多無人艇對多目標分配方案；2）對無人艇從任意初始狀態向目標點運動進行幾何路徑規劃；3）利用基于粒子群的預測模型預測目標運動軌跡，替換通訊異常數據，進行編隊軌跡跟蹤。通過使用本發明所提出的方法，減小了多輪拍賣過程的計算量，達到多無人艇任務分配的實時性要求；使用基于幾何法的路徑規劃方法和基于神經網絡的軌跡跟蹤方法滿足了單艇軌跡跟蹤控制的實時性與準確性要求；利用粒子群算法預測的運動軌跡進行補償，提高了無人艇在通信條件受限下跟蹤能力，使編隊跟蹤有很高的可靠性和穩定性。

技術領域

本發明涉及多無人艇協同控制技術，具體是一種基于多無人艇的目標跟蹤協同控制系統和方法，屬于單無人艇目標跟蹤領域和多無人艇多目標分配協同控制領域。

背景技術

無人艇作為一種小型化、智能化并以遙控或自主方式航行的無人水面運載平臺，可以針對具體的任務類型，采用不同的模塊、設備來完成任務目標。由于海洋環境日益復雜、作業任務日益多樣、單體作業能力受限，協同團隊具有比各個無人艇個體性能之和還要優越的總體性能，這種潛在、可觀的增效作用，成為研究多艇協同控制的主要動力。無人艇團隊能夠執行更加多樣化的多項任務，系統生存能力顯著提升，對復雜環境的適應能力也更強。在軍事領域，多無人艇協同已經展現了極為重要的應用價值，相關應用包括協同掃雷、協同護航、協同態勢感知、協同跟蹤與協同包圍等多種作戰任務。在民用領域，多無人艇協同能夠極大地延伸海洋作業范圍。

要形成無人艇團隊綜合能力，首先要求無人艇在團隊中必須要有高度的自主性和很強的協同合作性。因此，無人艇的協同決策與控制問題已成為無人艇應用研究領域的熱點。

協同目標跟蹤是實現多無人艇協同控制的有效方法之一，研究人員在多無人艇協同跟蹤控制問題上已取得很多研究結果，但理論與實際仍有差距。多艇協同跟蹤的目標往往不止一個，無人艇團隊首先要找到與各單艇相匹配的目標分配方案，近似生成所需編隊的跟蹤隊形，然后無人艇要根據與目標之間的位置角度關系，實時調整自身運動軌跡，保持團隊跟蹤隊形?？紤]到多艇之間協同必然需要通信，如何提高跟蹤團隊在通信條件受限下的跟蹤能力的可靠性穩定性也是一個很有實際價值的問題。因此針對多無人艇目標跟蹤協同控制系統的研究具有重要的理論價值和現實意義。

發明內容

本發明的目的在于針對已有技術的不足提供一種穩定可操作的基于多無人艇的目標跟蹤協同控制系統和方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種基于多無人艇的協同控制系統，包括岸基全局定位主機、無線通信模塊和單無人艇控制系統。所述岸基全局定位主機作為上位機用于處理搭載在各無人艇上的傳感器系統采集的數據，得到目標和各無人艇的位姿信息。所述無線通信模塊主要負責將各艇的感知信息上傳至所述岸基主機，同時又能將位姿信息傳輸給各無人艇底層。

所述單無人艇控制系統包括控制器模塊、傳感器模塊和運動模塊?？刂破髂K是控制無人艇運動的決策中心，包括主控制器和協控制器，主控制器用于接收上位機發送的位姿信息，以及協控制器發送過來的經處理的傳感器信息，并且在其中植入控制算法，控制無人艇自主運動。協控制器用于采集傳感器模塊的信息并做處理，最后發送給主控制器。傳感器模塊通過搭載的各種傳感器檢測外部環境信息。運動模塊負責執行來自主控制器的命令完成控制任務。

一種基于多無人艇的目標跟蹤協同控制方法，使用上述的基于多無人艇的協同控制系統，具體實施步驟如下：

步驟一：在編隊隊形生成過程中，對于多無人艇與多目標的目標匹配問題，使用基于拍賣的分配算法構建多階段任務分配競拍子系統，找到使無人艇群體收益最大的分配方案：

1.1 針對區域中的無人艇和目標進行預處理：將滿足閾值條件的無人艇與目標任務圈定為一個競拍子區域；