[發明專利]一種可變領航員模式的多無人艇協同編隊方法

有效

• 申請號: 202010621292.6
• 申請日: 2020-06-30
• 公開（公告）號: CN111913481B
• 公開（公告）日: 2023-06-06
• 發明（設計）人: 謝家文;胡常青;李清洲;楊博;李蒙;陳魁
• 申請（專利權）人: 航天時代（青島）海洋裝備科技發展有限公司
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 任林沖

本發明涉及一種可變領航員模式的多無人艇協同編隊方法，S10，進行隊形分配；S20，構建全連通圖；S30，確定領航員；S40,根據無人艇運動學模型及隊形關系，建立無人艇編隊運動學模型；S50，編隊運動決策；S60，確定無人艇控制量；S70，判斷編隊任務是否完成。本發明建立指派問題模型分配隊形，引入總路徑與總時間目標函數，從而達到在隊形變換中總路徑與總時間目標函數最優，并構建全聯通圖，從而達到緊急變換隊形過程中變換領航員，保證編隊高效安全航行。

技術領域

本發明屬于屬于多無人艇協同編隊領域，涉及一種可變領航員模式的多無人艇協同編隊方法。

背景技術

在隨著智能駕駛技術和無人技術的發展，無人艇(Unmanned?Surface?Vessel,USV)在海洋工程中的應用吸引了大量的專家和學者進行研究。依靠其作業成本低、作業范圍廣、環境適應性強等特點，已經在測繪、勘探、環保監測、安防巡邏、排雷、反潛、偵查等軍民領域逐步得到應用。

在復雜海洋環境中，單一無人艇往往很難或者無法完成復雜的作業任務，采用多無人艇進行協同作業的研究便得到了大多數學者和研究機構的關注，其中最主要的就是多無人艇協同編隊。多無人艇協同編隊是指使多個無人艇保持期望隊形，以完成由單個無人艇無法完成的一些復雜任務。多無人艇協同編隊可以有效的減少系統消耗，提升作業效率，并且不會因為單一無人艇的失效而導致無法作業。

目前多無人艇協同編隊方法，如領航員模式編隊控制方法、虛擬結構編隊控制方法等都極大的依賴編隊中的單一個體，如果在編隊行進過程中，存在單一個體失效將極大的影響編隊的控制，也就會限制編隊作業任務的完成。同時，現有編隊控制模式無法滿足某些臨時任務需求及突發事件的處置，例如在編隊過程中，突發需要分離部分編隊成員進行特殊任務處理以協同高效完成任務，又如在編隊巡邏任務場景下中，突發對抗目標入侵編隊需緊急分割編隊進行規避的。

發明內容

本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提出一種可變領航員模式的多無人艇協同編隊方法，增加了一種可變領航員模式，建立指派問題模型分配隊形，引入總路徑與總時間目標函數，從而達到在隊形變換中總路徑與總時間目標函數最優，并構建全聯通圖，從而達到緊急變換隊形過程中變換領航員，保證編隊高效安全航行。

本發明解決技術的方案是：

一種可變領航員模式的多無人艇協同編隊方法，該方法的步驟包括：

步驟S10，進行隊形分配：在已經獲取到隊形參數后，在當前位置環境下，以指派問題作為隊形分配的數學模型，以隊形分配所需航行總路徑代價和總時間代價建立目標函數，采用匈牙利尋優算法，確定最佳分配方式；

步驟S20，構建全連通圖；

步驟S30，確定領航員：在全連通圖中，對個體成員進行迭代回溯獲得其根成員；

步驟S40,根據無人艇運動學模型及隊形關系，建立無人艇編隊運動學模型；

步驟S50，編隊運動決策：根據無人艇環境感知信息、最短會遇距離及最短會遇時間，判斷選擇保持隊形航行還是變換隊形航行，如果最短會遇距離及最短會遇時間超出設定閾值，則進行對形變換，否則保持隊形；

步驟S60，確定無人艇控制量：根據無人艇編隊運動學模型，采用自適應PID控制算法，確定跟隨無人艇速度和航向；

步驟S70，判斷編隊任務是否完成，若任務完成則結束該過程，若沒有完成則返回步驟S50，直至編隊任務完成為止。

進一步的，步驟S20中，構建全連通圖方法為：將隊形中個成員在隊形行進方向上投影，對投影點采用距離聚類方法進行分類，所分類型即為層數，相同類型位于同一層，最后對層與層之間成員進行全連通獲得全連通圖。

進一步的，步驟S40中，無人艇運動學模型為