[發明專利]一種多無人船編隊安全優化控制系統

在審

• 申請號: 202111307607.0
• 申請日: 2021-11-05
• 公開（公告）號: CN114217603A
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發明（設計）人: 彭周華;呂光顥;顧兆偉;王丹;尹勇;劉陸;王浩亮
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 大連至誠專利代理事務所(特殊普通合伙) 21242
• 代理人: 楊威;鄧珂

本發明公開了一種多無人船編隊安全優化控制系統，包括獲取無人船輸入輸出狀態信息并濾波的濾波模塊，獲取并存儲無人船輸入輸出狀態濾波信息的數據收集模塊，獲取數據集并學習無人船模型的模型信息學習模塊，獲取存在信息交互關系的無人船信息并發送至編隊跟蹤控制模塊和安全避碰避障控制模塊中的信息交互通訊網絡拓撲模塊，獲取無人船的航行信息和交互信息計算標稱控制輸入的編隊跟蹤控制模塊，獲取標稱控制輸入信息與交互信息計算安全優化的縱向速度控制輸入和參考艏向角的安全避碰避障控制模塊，計算艏向角控制輸入的艏向角跟蹤預測控制模塊。該系統可以在復雜海洋環境下規避動靜態障礙物和船與船的碰撞。實現多無人船的無風險編隊跟蹤控制。

技術領域

本發明涉及無人船協同控制領域，尤其涉及一種多無人船編隊安全優化控制系統。

背景技術

無人船是船舶智能化發展的產物，作為一種現代工具已廣泛應用于情報收集、監視偵察、搜尋救助、水文地理勘察、中繼通信等任務中。為提高作業效率，形成規模化效應，多無人船編隊協同作業得到廣泛研究。多無人船編隊協同關鍵技術領域中，編隊安全控制技術是重要組成部分，探索多無人船編隊安全控制技術具有重要意義。

目前無人船編隊運動控制方法存在以下不足：

一、現有的無人船編隊控制方法大多只關注編隊控制的魯棒性，未系統的考慮復雜海洋環境中的動態與靜態障礙物，以及編隊中無人船之間的碰撞問題。若忽略實際海洋環境航行過程中的障礙及碰撞規避問題，必然會引起編隊安全問題，導致編隊任務失敗。

二、現有的無人船編隊防碰撞控制方法大多只關注編隊控制的避碰功能，未系統全面的考慮無人船實際狀態約束、執行機構約束及能量優化、控制輸入的平滑性。此外現有的無人船編隊控制方法大多依賴固定精確的無人船數學模型進行控制器的設計，未考慮實際海洋環境下外部干擾及模型不確定性。若忽略這些因素進行控制方法的設計，必然會降低控制方法的最優性和工程適用性。

發明內容

本發明提供一種多無人船編隊安全優化控制系統，以克服現有的無人船控制系統未考慮復雜海洋環境中的動態與靜態障礙物、無人船實際狀態約束、執行機構約束及能量優化、控制輸入的平滑性等技術問題。

為了實現上述目的，本發明的技術方案是：

一種多無人船編隊安全優化控制系統，用于控制編隊中每艘無人船以編隊形式跟蹤給定參考軌跡，包括濾波模塊、數據收集模塊、數據驅動模型信息學習模塊、信息交互通訊網絡拓撲模塊、編隊跟蹤控制模塊、安全避碰避障控制模塊、艏向角預測跟蹤控制模塊；

所述濾波模塊用于獲取每個受控無人船的運動學與動力學模型的受控無人船輸入信息τ_i、受控無人船輸出地球坐標系下的速度信息q_i、無人船艏向角速度信息r_i和無人船艏向角信息進而計算得到所述地球坐標系下的濾波速度信息q_if、無人船艏向角速度濾波信息r_if、地球坐標系下的位置控制輸入濾波信息g_iq、艏向角速度控制輸入濾波信息g_ir、位置回歸向量濾波信息N_iq和艏向角回歸向量濾波信息N_ir；其中所述受控無人船輸入信息τ_i包括受控無人船輸入信息包括縱向速度τ_iu和艏向角速度τ_ir；

所述數據收集模塊用于獲取濾波模塊輸出的所述地球坐標系下的濾波速度信息q_if、無人船艏向角速度濾波信息r_if、地球坐標系下的位置控制輸入濾波信息g_iq、艏向角速度控制輸入濾波信息g_ir、位置回歸向量濾波信息N_iq和艏向角回歸向量濾波信息N_ir，將存儲到數據集S_iq和S_ir中；