一种可变领航员模式的多无人艇协同编队方法

一种可变领航员模式的多无人艇协同编队方法

　　技术领域

　　本发明属于属于多无人艇协同编队领域，涉及一种可变领航员模式的多无人艇协同编队方法。

　　背景技术

　　在随着智能驾驶技术和无人技术的发展，无人艇(Unmanned Surface Vessel,USV)在海洋工程中的应用吸引了大量的专家和学者进行研究。依靠其作业成本低、作业范围广、环境适应性强等特点，已经在测绘、勘探、环保监测、安防巡逻、排雷、反潜、侦查等军民领域逐步得到应用。

　　在复杂海洋环境中，单一无人艇往往很难或者无法完成复杂的作业任务，采用多无人艇进行协同作业的研究便得到了大多数学者和研究机构的关注，其中最主要的就是多无人艇协同编队。多无人艇协同编队是指使多个无人艇保持期望队形，以完成由单个无人艇无法完成的一些复杂任务。多无人艇协同编队可以有效的减少系统消耗，提升作业效率，并且不会因为单一无人艇的失效而导致无法作业。

　　目前多无人艇协同编队方法，如领航员模式编队控制方法、虚拟结构编队控制方法等都极大的依赖编队中的单一个体，如果在编队行进过程中，存在单一个体失效将极大的影响编队的控制，也就会限制编队作业任务的完成。同时，现有编队控制模式无法满足某些临时任务需求及突发事件的处置，例如在编队过程中，突发需要分离部分编队成员进行特殊任务处理以协同高效完成任务，又如在编队巡逻任务场景下中，突发对抗目标入侵编队需紧急分割编队进行规避的。

　　发明内容

　　本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种可变领航员模式的多无人艇协同编队方法，增加了一种可变领航员模式，建立指派问题模型分配队形，引入总路径与总时间目标函数，从而达到在队形变换中总路径与总时间目标函数最优，并构建全联通图，从而达到紧急变换队形过程中变换领航员，保证编队高效安全航行。

　　本发明解决技术的方案是：

　　一种可变领航员模式的多无人艇协同编队方法，该方法的步骤包括：

　　步骤S10，进行队形分配：在已经获取到队形参数后，在当前位置环境下，以指派问题作为队形分配的数学模型，以队形分配所需航行总路径代价和总时间代价建立目标函数，采用匈牙利寻优算法，确定最佳分配方式；

　　步骤S20，构建全连通图；

　　步骤S30，确定领航员：在全连通图中，对个体成员进行迭代回溯获得其根成员；

　　步骤S40,根据无人艇运动学模型及队形关系，建立无人艇编队运动学模型；

　　步骤S50，编队运动决策：根据无人艇环境感知信息、最短会遇距离及最短会遇时间，判断选择保持队形航行还是变换队形航行，如果最短会遇距离及最短会遇时间超出设定阈值，则进行对形变换，否则保持队形；

　　步骤S60，确定无人艇控制量：根据无人艇编队运动学模型，采用自适应PID控制算法，确定跟随无人艇速度和航向；

　　步骤S70，判断编队任务是否完成，若任务完成则结束该过程，若没有完成则返回步骤S50，直至编队任务完成为止。

　　进一步的，步骤S20中，构建全连通图方法为：将队形中个成员在队形行进方向上投影，对投影点采用距离聚类方法进行分类，所分类型即为层数，相同类型位于同一层，最后对层与层之间成员进行全连通获得全连通图。

　　进一步的，步骤S40中，无人艇运动学模型为

　　

　　其中v为无人艇航速，为无人艇航向，r为无人艇航向角加速度，(x,y)为无人艇的位置坐标，为无人艇在x轴方向上的运动速度，为无人艇在y轴方向上的运动速度,为无人艇航向角加速度。

　　进一步的，步骤S40中，无人艇编队队形关系为

　　

　　其中lx为领航员与跟随者在领航员航向上的距离，ly为领航员与跟随者在垂直领航员航向上的距离，e为领航员与跟随者航向差，(xL,yL)为领航员位置坐标，(xF,yF)为跟随者位置坐标，为领航员航向，为跟随者航向。

　　进一步的，所述无人艇编队运动学模型为：

　　

　　其中，vL为领航员速度，vF为跟随者速度，rL为领航员角加速度，rF为跟随者角加速度，为领航员与跟随者在领航员航向上的相对速率，为领航员与跟随者在垂直领航员航向上的相对速率，为领航员航向角加速度。

　　进一步的，步骤S50中，无人艇环境感知信息为自身无人艇环境感知信息与编队中其他无人艇所共享的环境感知信息的集合，包含目标的位置、类型、速度、航向信息；变换队形方式包括队形缩放、队形分割、队形重组。

　　进一步的，队形缩放是以队形形心为中心，对各个队形点进行等比例缩放；

　　对于具备n艘无人艇的编队队形f＝[f1,…,fi,…,fn]，其形心为：

　　

　　队形缩放模型为：

　　其中[x′i y′i]T是变换后位置坐标，[xc yc]T是形心位置坐标，ε是缩放因子，用于控制缩放比例。

　　进一步的，队形分割方式是在队形全连通图中，以障碍物航行路径对编队进行切割，断开切割处连接实现队形分割，从而达到变换领航员目的。

　　进一步的，最终采用的变换队形方式是通过在可航行空间内以三种不同变换方式进行采样或者可选队形空间，根据指派问题，以总路径及总时间为目标函数，选取最优队形。

　　进一步的，步骤S10中，设定无人艇的位置坐标为pi＝[xi yi]T，则对于具有n艘无人艇的编队其位置可表示为p＝[p1,…,pi,…,pn]，设定期望队形中位置i的坐标为fi＝[xiyi]T，则对于期望队形坐标可表示为f＝[f1,…,fi,…,fn]，

　　所述目标函数为

　　其中，是无人艇i到达分配位置路径的距离，是无人艇i到达分配位置所需的时间，α是总路径权重因子，β是总时间权重因子；根据目标函数，运用匈牙利算法不断搜索目标解，即可实现对队形的目标分配。

　　本发明与现有技术相比的有益效果是：

　　(1)本发明提出了一种独立的编队控制方法，根据无人艇运动学模型及队形关系，建立编队运动学模型，从而实现了编队成员之间关系的独立性，保证了编队行进过程中的可靠性；

　　(2)本发明针对编队在航行过程中承受危险性对抗需有效规避这一问题，根据全连通图特点，以对抗性行为对连通图切割，变换队形领航员，再做出有效规避，从而确保了编队在航行过程中承受危险性对抗时能够保持整体安全性。

　　附图说明

　　图1为本发明的实施流程示意图；

　　图2为本发明队形投影图；

　　图3为本发明队形全连接图；

　　图4为本发明队形位置关系图；

　　图5为本发明实施例中队形缩放的示意图；

　　图6为本发明实施例中队形分割的示意图；

　　图7为本发明实施例中队形重组的示意图。

　　具体实施方式

　　下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

　　本发明提供一种可变领航员模式的多无人艇协同编队方法，其实施流程图如图1所示，具体实现步骤如下：

　　步骤S10，进行队形分配：以指派问题作为队形分配的数学模型，以队形分配所需航行总路径代价和总时间代价建立目标函数，采用寻优方法，解得最佳分配方式；

　　设定无人艇的位置坐标为pi＝[xi yi]T，则对于具有n艘无人艇的编队其位置可表示为p＝[p1,…,pi,…,pn]，设定期望队形中位置i的坐标为fi＝[xi yi]T，则对于期望队形坐标可表示为f＝[f1,…,fi,…,fn]，则队形分配即是一个n对n的指派问题；

　　所述目标函数为

　　其中，是无人艇i到达分配位置路径的距离，是无人艇i到达分配位置所需的时间，α是总路径权重因子，β是总时间权重因子；

　　根据目标函数，运用匈牙利算法不断搜索目标解，即可实现对队形的目标分配；

　　步骤S20，构建全连通图：将队形中个成员在队形行进方向上投影，采用距离聚类方法获得层，对层与层之间进行全连通；

　　如图2所示，设定具有6艘无人艇[f1,f2,f3,f4,f5,f6]的队形呈三角队形，其行进方向为虚线箭头方向，将队形位置坐标在行进方向上投影得到[f1',f′2,f′3,f′4,f′5,f′6]，运用距离聚类方法，可得到三类分别为f1，[f2,f3]，[f4,f5,f6]，这三类便构成全连接图中的三层，将层间进行全连接后如图3所示；

　　步骤S30，确定领航员：在全连接图中，对个体成员进行迭代回溯获得其根成员；

　　对于在全连接图中存在多个根成员的个体成员，在全连接图中采用广度优先搜索方式对根成员进行搜索，优先备搜索到的根成员被确定为领航员，由此确定个体成员与根成员之间的队形参数。

　　步骤S40,根据无人艇运动学模型及队形关系，建立编队运动学模型；

　　所述无人艇运动学模型为

　　其中v为无人艇航速，为无人艇航向，r为无人艇航向角加速度，(x,y)为无人艇的位置坐标；

　　所述无人艇编队队形关系为如图4所示；

　　其中lx为领航员与跟随者在领航员航向上的距离，ly为领航员与跟随者在垂直领航员航向上的距离，e为领航员与跟随者航向差，(xL,yL)为领航员位置坐标，(xF,yF)为跟随者位置坐标，为领航员航向，为跟随者航向。

　　对上式两边求导得，所述无人艇编队运动学模型为：

　　

　　步骤S50，编队运动决策：根据无人艇环境感知信息，并根据最短会遇距离及最短会遇时间，判断是保持队形航行还是变换队形航行；

　　所述的无人艇环境感知信息是自身无人艇环境感知信息与编队中其他无人艇所共享的环境感知信息集合，包含目标的位置，类型，速度，航向等可获取信息；

　　所述的队形变换包括队形缩放、队形分割、队形重组三种变换方式；

　　所述的队形缩放是以队形形心为中心，对各个队形点进行等比例缩放；

　　对于具备n艘无人艇的编队队形f＝[f1,…,fi,…,fn]，其形心为：

　　

　　所述的队形缩放模型为：

　　其中[x′i y′i]T是变换后位置坐标，[xc yc]T是形心位置坐标，ε是缩放因子，用于控制缩放比例；

　　本发明一个典型的队形缩放实施例是，当编队由开阔水域进入狭长水道时，在不改变队形情况下，需对队形进行缩放以确保通行，如图5所示；

　　所述的队形分割方式是在队形全连接图中，以障碍物航行路径对编队进行切割，断开切割处连接实现队形分割，从而达到变换领航员目的；

　　本发明中一个典型的队形分割实施例是，当编队行进过程中遭遇非法对抗行动而无法规避时，需采用队形分割确保编队安全，如图6所示，遭遇对抗前，编队为仅有p1担任领航员，在遭遇对抗分割后，存在p1,p2分别承担p3,p6和p4,p5的领航员；

　　所述的队形重组是原有队形已无法满足任务需求，需选择新的队形并才能完成任务；

　　本发明中一个典型的队形重组实施例是，当编队回港时，原有编队已无法满足回港队形，需重组为一字队形，逐一入港，从而满足回港任务，如图7所示；

　　步骤S60，求解无人艇控制量，根据无人艇编队运动模型，采用自适应PID控制算法，求得跟随无人艇速度和航向；

　　步骤S70，判断编队任务是否完成，若任务完成则结束该过程，若没有则返回步骤S50。

　　本发明提出了一种独立的编队控制方法，根据无人艇运动学模型及队形关系，建立编队运动学模型，从而实现了编队成员之间关系的独立性，保证了编队行进过程中的可靠性；

　　本发明针对编队在航行过程中承受危险性对抗需有效规避这一问题，根据全连通图特点，以对抗性行为对连通图切割，变换队形领航员，再做出有效规避，从而确保了编队在航行过程中承受危险性对抗时能够保持整体安全性。

　　以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。