[發明專利]一種基于CAPT算法改進的無人船集群任務規劃方法

在審

• 申請號: 202210231373.4
• 申請日: 2022-03-10
• 公開（公告）號: CN114815805A
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 劉瀏;陳展鵬
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 羅運紅

本發明提出了一種基于CAPT算法改進的無人船集群復雜任務下路徑規劃方法，該方法包括以下內容：針對CAPT算法無法解決復雜路徑和避障的集群路徑規劃問題，將Theta*路徑算法引入到集群路徑規劃中，解決了無人船集群的避障問題，最終實現了集群編隊且目標位置可以任意分配的運動規劃問題。本發明運用了基于無標號問題的CAPT算法，并引入Theta*算法在無人船遇到障礙物的情況下進行路徑規劃。本發明針對在有水面障礙物的復雜海況下無人船集群任務規劃問題，提出將Theta*算法用于CAPT算法中距離代價矩陣的更新，在有障礙物情況下使用Theta*算法進行無人船路徑規劃并更新距離代價矩陣，達到用改進的CAPT算法進行無人船集群任務規劃的效果，為無人船集群問題提供了新的思路。

技術領域

本發明屬于無人船集群技術領域，尤其涉及一種基于CAPT算法改進的無人船集群任務規劃方法。

背景技術

近年來，伴隨著流體動力學、自動控制學、無人裝備系統工程設計等技術的不斷發展，以及無人裝備在探索、搜查、巡邏、警戒等應用爆炸性增長的需求使無人系統成為當下世界各海洋科技強國爭先推進的前沿技術。無人船作為無人駕駛的海上運載平臺，可以執行長時間、低成本和大范圍的海洋科研與工程任務，在民用領域具有極為廣泛的潛在使用空間：如港口巡邏、領海監視、海上搜救、海洋環境監測、海底資源探測、海圖繪制等多種用途。

無人駕駛船，簡稱為無人船，其英文為Unmanned surface vehicles或USV，它基于船舶，同時載有特殊功能設備包括控制設備以及通訊設備等，進而在水面執行某些特殊操作。無人船的控制操作主要是由海面上的遠端母船以及陸地上的基站來完成的，控制中心可以通過無線電等通訊裝置掌握無人船所收集到的各種數據信息。無人船相對于人工控制操作的船舶來說，具備著高速化、智能化以及模塊化等獨特優點。在軍事上，無人船可以應用在包括偵察、搜救、巡邏以及監視等場合；在民用領域中，無人船的應用范圍更加廣泛，包括海面環境監測、水中目標搜索、災害預警、海洋垃圾清理等方面。

單艘船只通常無法完成復雜的任務，而與之相對的是，多船協作形成的船舶編隊在海事搜救、海洋資源探測和環境檢測、艦隊協同作戰等方面具有容錯性強、適應性好及執行效率高等多重優點。因此，通過對船舶編隊的控制方法開展必要研究，完成對多船編隊的有效控制，在軍事國防、生產運輸等領域具有寬廣的應用范疇與廣闊的發展前景。具體應用有編隊探測、遠洋補給與艦隊協同作業等。

隨著無人船所承擔的任務越來越多樣化，以及實際海洋環境的復雜多變，對于執行這些任務的單艘無人船而言，往往存在承載能力低、覆蓋范圍小、信息處理能力弱等缺點。而多船協作形成的船舶編隊在海事搜救、海洋資源探測和環境檢測、艦隊協同作戰等方面具有容錯性強、適應性好及執行效率高等多重優點。通過對船舶編隊的控制方法開展必要研究，完成對多船編隊的有效控制，在軍事國防、生產運輸等領域具有寬廣的應用范疇與廣闊的發展前景。

發明內容

技術問題：針對在復雜海面情況下，多艘無人船需要變換隊形，完成集群任務規劃的需求，本發明提出一種基于CAPT算法改進的無人船集群任務規劃方法，解決CAPT任務規劃算法在航跡規劃時無法實現避障的問題，將Theta*算法引入到CAPT算法中，實現無人船遇到障礙物的情況下進行路徑規劃。為CAPT算法在無人船集群方向的應用拓寬了思路。

技術方案：本發明提出一種基于CAPT算法改進的無人船集群任務規劃方法，該方法包含以下步驟：

A、導入地圖和同構無人船的起點終點，定義無人船位置狀態向量X(t)和目標狀態向量G，包括以下步驟：