[發明專利]異構無人系統三維空間編隊控制方法

有效

• 申請號: 202210888390.5
• 申請日: 2022-07-27
• 公開（公告）號: CN114942646B
• 公開（公告）日: 2022-10-25
• 發明（設計）人: 萬俊賀;李輝;寇磊;劉海林
• 申請（專利權）人: 山東省科學院海洋儀器儀表研究所
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 青島聯智專利商標事務所有限公司 37101
• 代理人: 周容

本發明屬于海洋工程技術領域，公開了一種異構無人系統三維空間編隊控制方法，其中異構無人系統由若干水面無人艇和若干自治水下航行器組成，異構無人系統三維空間編隊控制方法包括以下步驟：建立異構無人系統三維編隊通信拓撲模型；執行航向一致性控制算法；執行速度一致性控制算法；如果無人系統節點為自治水下航行器，則執行深度一致性控制算法；控制作為無人系統節點的水面無人艇按照輸出航向角和輸出航行速度運行；控制作為無人系統節點的自治水下航行器按照輸出航向角、輸出航行速度和輸出航行深度運行，本發明可以有效實現編隊形成、編隊保持和編隊變換，使異構無人系統具備良好的自愈能力和擴展能力。

技術領域

本發明屬于海洋工程技術領域，尤其涉及一種異構無人系統三維空間編隊控制方法。

背景技術

面對復雜多變的海洋環境，由若干水面無人艇(Unmanned Surface Vehicle，USV)和若干自治水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)組成的海上無人系統是執行“3D”任務(Dirty-Dull-Dangerous，即骯臟-單調-危險)時的最優選擇，具有無可比擬的優勢。在民用方面，作為組建海底空間站和觀測網的重要工具，海上無人系統在水下地形地貌測繪、特定目標的追蹤與調查、海洋數據獲取等領域大有可為。傳統的海上無人系統通常由單一的水面無人艇或者單一的自治水下航行器組成，相對承載能力低、覆蓋范圍小且信息處理能力弱。

由單一的水面無人艇或者單一的自治水下航行器組成的海上無人系統所采用的協同編隊控制方法主要包括領航跟隨法、基于行為法和虛擬結構法等。這些經典控制方法在三維空間編隊方面均存在一定局限性，多針對單獨由水面無人艇組成的無人系統或者單獨由自治水下航行器組成的無人系統，尤其是在弱通信條件下，編隊的自愈性和擴展性不理想。

本背景技術所公開的上述信息僅僅用于增加對本申請背景技術的理解，因此，其可能包括不構成本領域普通技術人員已知的現有技術。

發明內容

針對現有技術中為單獨由水面無人艇組成的無人系統、或者單獨由自治水下航行器組成的無人系統設計的協同編隊控制方法，在面對三維編隊的弱通信條件時，編隊的自愈性和擴展性不理想的問題，設計并提供一種異構無人系統三維空間編隊控制方法。

為實現上述發明目的，本發明采用下述技術方案予以實現：

一種異構無人系統三維空間編隊控制方法，所述異構無人系統由若干水面無人艇和若干自治水下航行器組成；所述異構無人系統三維空間編隊控制方法包括以下步驟：

步驟S11：建立異構無人系統三維編隊通信拓撲模型；

在步驟S11中，異構無人系統三維編隊通信拓撲模型表示為：

G＝{V，E}

其中，V＝{1，2，…，n}，V表示參與三維編隊的n個無人系統節點的集合，n表示參與三維編隊的無人系統節點的個數，無人系統節點是水面無人艇或自治水下航行器；E＝{(i，j)∈V×V}表示參與三維編隊的n個無人系統節點之間有向信息路徑組成的集合，其中i表示參與三維編隊的第i個無人系統節點，i∈[1，n]；j表示參與三維編隊的第j個無人系統節點，j∈[1，n]；

建立異構無人系統三維編隊通信拓撲模型的鄰接矩陣A_ij；鄰接矩陣A_ij為n×n的n階方陣，鄰接矩陣A_ij中的元素a_ij滿足：當無人系統節點i收到無人系統節點j發送的信息時，有a_ij0；否則a_ij＝0；

建立無人系統節點i的鄰居集N_i，無人系統節點i的鄰居集N_i記為：

N_i＝{j∈V|a_ij0}＝{j∈V|(j，i)∈E}；