一种无人艇一字型队到倒V字型队队形变换方法技术

本发明专利技术公开了一种无人艇一字型队到倒V字型队队形变换方法，包括以下步骤，为在水面上成一字型队形中的无人艇按照从小到大的顺序编号，并从中选取出一艘无人艇作为领导无人艇；计算获取下一个时间间隔内所有无人艇的实际速度方向；计算获取下一个时间间隔内所有无人艇的速度值；计算获取所有无人艇下一个时间间隔初的位置点；判断队形是否变换完成，若变换完成，结束；若未完成队形的变换，则返回步骤S2，其中领导无人艇的运动由该领导无人艇的预设运动方程确定，通过上述变换方法，可实现无人艇队形从一字型队到倒V字型队的变换。本发明专利技术变换过程中可防止无人艇碰撞；该方法不限制队形的无人艇数目，抗干扰能力强，自适应能力强。

A method for formation transformation of an unmanned boat type to inverted V shape formation

The invention discloses an unmanned boat in a team to invert V team formation transformation method, which comprises the following steps, as on the surface of a font in the formation of unmanned in accordance with the order from small to large numbers, and we chose an unmanned craft as a leader USV; calculation to obtain the actual speed all unmanned direction the boat under a time interval calculation; get all the USV next time interval velocity; obtained position all unmanned next time interval at the beginning; judging whether formation transform is completed, if the transformation completed, the end; if not complete formation transformation, step S2 is returned, which the leadership of USV motion by default the equation of motion of the leadership of the USV determined by the transformation method, can realize unmanned formation from a font team to invert V team transform. The invention can prevent the collision of unmanned craft; the method does not limit the number of unmanned boats in formation, has strong anti-interference ability, and has strong self adaptability.

【技术实现步骤摘要】
一种无人艇一字型队到倒V字型队队形变换方法
本专利技术涉及一种无人艇编队
，具体地说是一种无人艇一字型队到倒V字型队队形变换方法。
技术介绍
无人艇是一种无人操作的水面舰艇，搭载上传感器或设备模块，可完成一些海域上的任务。单艘无人艇可搭载的传感器与设备有限，因此，只能完成一些简单的任务。当面对多样化的，复杂的任务时，需要多艘无人艇进行协作，共同完成任务。多艘无人艇协同作业，不仅克服了单艘无人艇在功能上的缺陷，而且能产生了1加1大于2的效果。很大程度上，提高了作业效率和作业范围。因此，多无人艇协同作业是必然的趋势，在军、民领域都有很好的应用前景。无人艇在海上运行时，为了满足多任务的要求和避免与静态障碍物或动态障碍物发生碰撞，必须适当的变换队形。因此，对于无人艇协同作业，队形变换是重要的研究要点。中国专利技术专利CN103674029A公开了一种基于水声通信的多艇协同导航编队构型的方法，该方法旨在解决多艘艇的编队在实际运行存在着环境因素，会影响航速度、间距和航向约束因素的选择，进而影响艇的队形结构设计的问题，该与队形有关的方法未涉及队形变换。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供无人艇一字型队到倒V字型队队形变换方法，变换过程中可避免碰撞；该方法不限制队形的无人艇数目，抗干扰能力强，自适应能力强。为了解决上述技术问题，本专利技术采取以下技术方案：一种无人艇一字型队到倒V字型队队形变换方法，包括以下步骤：S1，为在水面上成一字型队形中的无人艇按照从小到大的顺序编号，并从中选取出一艘无人艇作为领导无人艇；S2，计算获取下一个时间间隔内所有无人艇的实际速度方向；S3，计算获取下一个时间间隔内所有无人艇的速度值；S4，计算获取所有无人艇下一个时间间隔初的位置点；S5，判断队形是否变换完成，若变换完成，结束；若未完成队形的变换，则返回步骤S2；除领导无人艇之外的其他所有无人艇按照获取得到的实际速度方向、速度值和位置点进行运动，实现从一字型队到倒V字型队队形的变换，其中领导无人艇的运动由该领导无人艇的预设运动方程确定。所述步骤S1具体包括：S101，将无人艇所在的水面区域当成二维平面，建立具备原点、X轴和Y轴的笛卡尔坐标系；S102，在初始时刻，一字型队形沿着X轴分布，并以Y轴为对称轴对称排列，设定相邻无人艇间的间距为s；S103，若原点有无人艇，则取该无人艇为领导无人艇；若原点无无人艇，则在原点加入虚拟无人艇，并取该虚拟无人艇为领导无人艇；S104，沿着X轴从左到右，编号从小到大为无人艇编号；若有虚拟无人艇，则虚拟无人艇也加入编号序列中，最左边的无人艇编号为1，最右边的无人艇编号为N，领导无人艇的编号为(N+1)/2。所述步骤S2包括求取无人艇期望速度方向和无人艇实际速度方向，其中：求取无人艇期望速度方向具体包括：S201，以编号为i的无人艇为圆心，半径为r画圆,若该圆内有其他无人艇，则称该其他无人艇为邻居无人艇，设该邻居无人艇个数为nir；S202，当nir不为0，则下一个时间间隔内编号为i的无人艇的期望速度方向为邻居无人艇的速度方向向量和的反方向，该期望速度方向为：当nir为0，则下一个时间间隔内编号为i的无人艇的期望速度方向为当前时刻编号为i的无人艇实际位置指向编号为i的无人艇期望位置，该期望速度方向为：diri[k+1]＝(diri[k+1](1，1)，diri[k+1](1，2))，diri[k+1](1，1)＝xi0[k]-xi[k]，diri[k+1](1，2)＝yi0[k]-yi[k]，式中：i＝1，2......N；k≥0；diri[k+1]是编号为i的无人艇在第k+1个时间间隔内的期望速度方向；ditj[k]是编号为i的无人艇的j邻居无人艇在第k个时间间隔内的实际速度方向；diri[k+1](1，1)为diri[k+1]的x轴分量；diri[k+1](1，2)为diri[k+1]的y轴分量；xi0[k]为第k个时间间隔初，编号为i的无人艇相对于领导无人艇期望位置的x轴分量；xi[k]为第k个时间间隔初，编号为i的无人艇实际位置的x轴分量；yi0[k]为第k个时间间隔初，编号为i的无人艇相对于领导无人艇期望位置的y轴分量；yi[k]为第k个时间间隔初，编号为i的无人艇实际位置的y轴分量，从而得到编号为i的无人艇在下一个时间间隔内的期望速度方向；判断无人艇转动角度是否超过无人艇的最大转动角度，并求取无人艇实际速度方向，具体包括：S203，设定第k个时间间隔内编号为i的无人艇的最大转动角度为θi[k]；S204，当diri[k+1]＝0，则当前时刻编号为i的无人艇实际位置与期望位置重合，则当前时刻编号为i的无人艇期望速度方向与领导无人艇同向，则无人艇实际速度方向为：当＜diri[k+1]，diti[k]＞小于等于θi[k]时，则编号为i的无人艇能够在一个时间间隔内能由diti[k]转向diri[k+1]，则下一个时间间隔内编号为i的无人艇的实际速度方向为：diti[k+1]＝diri[k+1]，当＜diri[k+1]，diti[k]＞大于θi[k]时，则编号为i的无人艇无法在一个时间间隔内由diti[k]转向diri[k+1]，则下一个时间间隔内编号为i的无人艇的实际速度方向diti[k+1]为diti[k]向diri[k+1]转动θi[k]角后的方向；上式中：i＝1，2......N；k≥0；＜diri[k+1]，diti[k]＞为diri[k+1]与diti[k]之间的夹角；为领导无人艇在第k个时间间隔内的速度方向；diti[k+1]表示编号为i的无人艇在第k+1个时间间隔内的实际速度方向；θi[k]表示在第k个单位时间间隔内，编号为i的无人艇的最大转动角度；最终，得到编号为i的无人艇在下一时间间隔内的实际速度方向diti[k+1]，将该实际速度方向单位化为：式中：i＝1,2……N；k≥0；|diri[k+1]|表示diri[k+1]的模；上述各式子求取除了领导无人艇外的其他所有无人艇的实际速度方向。所述步骤S3对无人艇的速度值的计算获取具体包括：编号为i的无人艇在第k+1个时间间隔内的期望速度方向与领导无人艇在第k个时间间隔内的实际速度方向夹角为:当θi0＜θi3[k]且(|xi0[k]-xi[k]|＜μ)且(yi0[k]-yi[k])＞0时，下一个时间间隔内编号为i的无人艇的速度值为：当(θi0≠0或(yi0[k]-yi[k])≤0)且(θi0＜θi1[k])且(vi1[k]＜vi[k])时，下一个时间间隔内编号为i的无人艇的速度值为：当(θi0≠0或(yi0[k]-yi[k])≤0)且(θi0＜θi1[k])且(vi1[k]＝vi[k])时，下一个时间间隔内编号为i的无人艇的速度值为：vi1[k+1]＝vi[k]；当(θi0≠0或(yi0[k]-yi[k])≤0)且(θi0＜θi1[k])且(vi1[k]＞vi[k])时，下一个时间间隔内编号为i的无人艇的速度值为：当[(θi1[k]≤θi0＜θi2[k])或((θi0＞θi2[k])且|xi0[k]-xi[k]|≥μ)]且(vi1[k]≤vi0[k])时，下一个时间间隔内编号为i的无人艇的速度值为：vi1[k+1]＝vi0[k]；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无人艇一字型队到倒V字型队队形变换方法，包括以下步骤：S1，为在水面上成一字型队形中的无人艇按照从小到大的顺序编号，并从中选取出一艘无人艇作为领导无人艇；S2，计算获取下一个时间间隔内所有无人艇的实际速度方向；S3，计算获取下一个时间间隔内所有无人艇的速度值；S4，计算获取所有无人艇下一个时间间隔初的位置点；S5，判断队形是否变换完成，若变换完成，结束；若未完成队形的变换，则返回步骤S2；除领导无人艇之外的其他所有无人艇按照获取得到的实际速度方向、速度值和位置点进行运动，实现从一字型队到倒V字型队队形的变换，其中领导无人艇的运动由该领导无人艇的预设运动方程确定。

【技术特征摘要】
1.一种无人艇一字型队到倒V字型队队形变换方法，包括以下步骤：S1，为在水面上成一字型队形中的无人艇按照从小到大的顺序编号，并从中选取出一艘无人艇作为领导无人艇；S2，计算获取下一个时间间隔内所有无人艇的实际速度方向；S3，计算获取下一个时间间隔内所有无人艇的速度值；S4，计算获取所有无人艇下一个时间间隔初的位置点；S5，判断队形是否变换完成，若变换完成，结束；若未完成队形的变换，则返回步骤S2；除领导无人艇之外的其他所有无人艇按照获取得到的实际速度方向、速度值和位置点进行运动，实现从一字型队到倒V字型队队形的变换，其中领导无人艇的运动由该领导无人艇的预设运动方程确定。2.根据权利要求1所述的无人艇一字型队到倒V字型队队形变换方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：S101，将无人艇所在的水面区域当成二维平面，建立具备原点、X轴和Y轴的笛卡尔坐标系；S102，在初始时刻，一字型队形沿着X轴分布，并以Y轴为对称轴对称排列，设定相邻无人艇间的间距为s；S103，若原点有无人艇，则取该无人艇为领导无人艇；若原点无无人艇，则在原点加入虚拟无人艇，并取该虚拟无人艇为领导无人艇；S104，沿着X轴从左到右，编号从小到大为无人艇编号；若有虚拟无人艇，则虚拟无人艇也加入编号序列中，最左边的无人艇编号为1，最右边的无人艇编号为N，领导无人艇的编号为(N+1)/2。3.根据权利要求2所述的无人艇一字型队到倒V字型队队形变换方法，其特征在于，所述步骤S2包括求取无人艇期望速度方向和无人艇实际速度方向，其中：求取无人艇期望速度方向具体包括：S201，以编号为i的无人艇为圆心，半径为r画圆,若该圆内有其他无人艇，则称该其他无人艇为邻居无人艇，设该邻居无人艇个数为nir；S202，当nir不为0，则下一个时间间隔内编号为i的无人艇的期望速度方向为邻居无人艇的速度方向向量和的反方向，该期望速度方向为：当nir为0，则下一个时间间隔内编号为i的无人艇的期望速度方向为当前时刻编号为i的无人艇实际位置指向编号为i的无人艇期望位置，该期望速度方向为：diri[k+1]＝(diri[k+1](1,1),diri[k+1](1,2))，diri[k+1](1,1)＝xi0[k]-xi[k]，diri[k+1](1,2)＝yi0[k]-yi[k]，式中：i＝1,2……N；k≥0；diri[k+1]是编号为i的无人艇在第k+1个时间间隔内的期望速度方向；ditj[k]是编号为i的无人艇的j邻居无人艇在第k个时间间隔内的实际速度方向；diri[k+1](1,1)为diri[k+1]的x轴分量；diri[k+1](1,2)为diri[k+1]的y轴分量；xi0[k]为第k个时间间隔初,编号为i的无人艇相对于领导无人艇期望位置的x轴分量；xi[k]为第k个时间间隔初,编号为i的无人艇实际位置的x轴分量；yi0[k]为第k个时间间隔初,编号为i的无人艇相对于领导无人艇期望位置的y轴分量；yi[k]为第k个时间间隔初,编号为i的无人艇实际位置的y轴分量，从而得到编号为i的无人艇在下一个时间间隔内的期望速度方向；判断无人艇转动角度是否超过无人艇的最大转动角度，并求取无人艇实际速度方向，具体包括：S203，设定第k个时间间隔内编号为i的无人艇的最大转动角度为θi[k]；S204，当diri[k+1]＝0，则当前时刻编号为i的无人艇实际位置与期望位置重合，则当前时刻编号为i的无人艇期望速度方向与领导无人艇同向，则无人艇实际速度方向为：当＜diri[k+1],diti[k]＞小于等于θi[k]时，则编号为i的无人艇能够在一个时间间隔内能由diti[k]转向diri[k+1]，则下一个时间间隔内编号为i的无人艇的实际速度方向为：diti[k+1]＝diri[k+1]；当＜diri[k+1],diti[k]＞大于θi[k]时，则编号为i的无人艇无法在一个时间间隔内由diti[k]转向diri[k+1]，则下一个时间间隔内编号为i的无人艇的实际速度方向diti[k+1]为diti[k]向diri[k+1]转动θi[k]角后的方向；上式中：i＝1,2……N；k≥0；＜diri[k+1],diti[k]＞为diri[k+1]与diti[k]之间的夹角；为领导无人艇在第k个时间间隔内的速度方向；diti[k+1]表示编号为i的无人艇在第k+1个时间间隔内的实际速度方向；θi[k]表示在第k个单位时间间隔内，编号为i的无人艇的最大转动角度；最终，得到编号为i的无人艇在下一时间间隔内的实际速度方向diti[k+1]，将该实际速度方向单位化为：式中：i＝1,2……N；k≥0；|diri[k+1]|表示diri[k+1]的模；上述各式子求取除了领导无人艇外的其他所有无人艇的实际速度方向。4.根据权利要求3所述的无人艇一字型队到倒V字型队队形变换方法，其特征在于，所述步骤S3对无人艇的速度值的计算获取具体包括：编号为i的无人艇在第k+1个时间间隔内的期望速度方向与领导无人艇在第k个时间间隔内的实际速度方向夹角为:当θi0＜θi3[k]且(|xi0[k]-xi[k]|＜μ)且(yi0[k]-yi[k])＞0时，下一个时间间隔内编号为i的无人艇的速度值为：当(θi0≠0或(yi0[k]-yi[k])≤0)且(θi0＜θi1[k])且(vi1[k]＜vi[k])时，下一个时间间隔内编号为i的无人艇的速度值为：当(θi0≠0或(yi0[k]-yi[k])≤0)且(θi0＜θi1[k])且(vi1[k]＝vi[k])时，下一个时间间隔内编号为i的无人艇的速度值为：vi1[k+1]＝vi[k]；当(θi0≠0或(yi0[k]-yi[k])≤0)且(θi0＜θi1[k])且(vi1[k]＞vi[k])时，下一个时间间隔内编号为i的无人艇的速度值为：

【专利技术属性】
技术研发人员：苏厚胜，孙亚平，陈志强，王磊，耿涛，钟凤娟，刘淑君，
申请(专利权)人：广东华中科技大学工业技术研究院，华中科技大学，广东省智能机器人研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44