[發(fā)明專利]一種基于DMHE和DMPC的無(wú)人船協(xié)同目標(biāo)跟蹤控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110012929.6
• 申請(qǐng)日: 2021-01-06
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112632876B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-09-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李慧平;胡季偉;嚴(yán)衛(wèi)生;張卓;梁昊姣
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/28
• 分類號(hào): G06F30/28;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 西安凱多思知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 61290
• 代理人: 劉新瓊

本發(fā)明涉及一種基于DMHE和DMPC的無(wú)人船協(xié)同目標(biāo)跟蹤控制方法，屬于工業(yè)自動(dòng)控制和海洋工程領(lǐng)域。本發(fā)明主要用于多無(wú)人船協(xié)同目標(biāo)跟蹤控制，首先建立無(wú)人船的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型以及量測(cè)模型，之后設(shè)計(jì)基于無(wú)跡卡爾曼濾波的有限時(shí)域MHE算法，解決了到達(dá)代價(jià)估計(jì)問(wèn)題和單個(gè)無(wú)人船對(duì)目標(biāo)的估計(jì)問(wèn)題，接著根據(jù)上述到達(dá)代價(jià)的估計(jì)方法，通過(guò)鄰居節(jié)點(diǎn)間信息交流，設(shè)計(jì)DMHE算法，解決多無(wú)人船對(duì)目標(biāo)的協(xié)同估計(jì)問(wèn)題，最后根據(jù)目標(biāo)估計(jì)的位置信息以及鄰居節(jié)點(diǎn)位置信息交流，設(shè)計(jì)DMHE算法，解決多無(wú)人船協(xié)同目標(biāo)跟蹤控制問(wèn)題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明設(shè)計(jì)屬于工業(yè)自動(dòng)控制和海洋工程領(lǐng)域，具體涉及一種基于DMHE和DMPC的無(wú)人船協(xié)同目標(biāo)跟蹤控制方法。

背景技術(shù)

隨著傳感器、計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)等技術(shù)迅猛發(fā)展，具有先進(jìn)制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制(Guidance,Navigation and Control,GNC)功能的無(wú)人船，逐漸引起了人們的重視。無(wú)人船是一種無(wú)需人員干預(yù)，可以在各種復(fù)雜的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)，具有高度非線性動(dòng)力學(xué)特性的水面運(yùn)載工具。它的優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、用途廣泛、操作方便、自主性強(qiáng)、釋放和回收較為快捷、能避免未知領(lǐng)域人為操作風(fēng)險(xiǎn)，因此在軍事和民用領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。

無(wú)人船進(jìn)行目標(biāo)跟蹤任務(wù)時(shí)會(huì)面臨環(huán)境復(fù)雜多變和任務(wù)復(fù)雜多樣的情況，而單無(wú)人船在進(jìn)行大范圍目標(biāo)跟蹤任務(wù)時(shí)，容易受到自身航程和通信距離限制，使得活動(dòng)范圍有限，工作效率低，對(duì)于環(huán)境的感知能力較差。多無(wú)人船協(xié)同目標(biāo)跟蹤可以充分利用系統(tǒng)中某些無(wú)人船的高精度信息，使得裝備較差的無(wú)人船獲得更好的跟蹤效果；同時(shí)，多無(wú)人船活動(dòng)范圍更大，對(duì)目標(biāo)的搜索范圍更廣。

多無(wú)人船協(xié)同作業(yè)包括集中式和分布式兩種模式。集中式模式要求中央節(jié)點(diǎn)與所有無(wú)人船通信，這種模式的好處在于信息獲取比較豐富，整體系統(tǒng)協(xié)同效果比較好。但是一旦中央節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，那么整個(gè)系統(tǒng)也會(huì)隨之陷入癱瘓，并且如果系統(tǒng)維度過(guò)大，帶來(lái)的中心節(jié)點(diǎn)計(jì)算量和通信量也會(huì)很高，影響時(shí)效性和容錯(cuò)性。而分布式模式中無(wú)人船只需要與鄰居節(jié)點(diǎn)交換信息，通信壓力小，時(shí)效性高，增強(qiáng)了系統(tǒng)可維護(hù)性和靈活性。因此，使用分布式模式實(shí)現(xiàn)多無(wú)人船的協(xié)同控制是一種可靠方法。

目前在對(duì)目標(biāo)的協(xié)同估計(jì)方面，雖然基于卡爾曼濾波的分布式協(xié)同估計(jì)方法取得了較好的估計(jì)效果(如Distributed Kalman filtering based on consensusstrategies,IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2008,26(4):622-633.)，但是由于這種方法無(wú)法處理以約束形式存在的過(guò)程噪聲，因此在實(shí)際估計(jì)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)不合理的估計(jì)結(jié)果。同時(shí)，也未能考慮到目標(biāo)估計(jì)的優(yōu)化性能(如DistributedKalman filter using weighted averaging,Proc.of the International Symposium onMathernatical Theory of Network,2006:1-6.)。在目標(biāo)的協(xié)同跟蹤控制方面，目前的大多數(shù)方法都不考慮協(xié)同編隊(duì)控制的優(yōu)化效果和控制過(guò)程中無(wú)人船推力和轉(zhuǎn)矩的約束(如Cooperative target tracking control of Multiple Robots,IEEE Transactions onIndustrial Electronics,2012,59(8):3232–3240.)。

發(fā)明內(nèi)容

要解決的技術(shù)問(wèn)題

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種基于DMHE和DMPC的無(wú)人船協(xié)同目標(biāo)跟蹤控制方法。

技術(shù)方案

一種基于DMHE和DMPC的無(wú)人船協(xié)同目標(biāo)跟蹤控制方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：建立編隊(duì)系統(tǒng)中無(wú)人船i的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型：