一种多UUV跟踪围捕系统及围捕方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多UUV跟踪围捕系统及围捕方法，包括四艘同构UUV；每艘UUV由感知模块、通信模块、行为控制模块、协作规划模块、协调控制模块组成。感知模块对自身状态和水下环境进行联系检测；协作规划模块根据通信模块接收其他UUV状态和目标状态做出任务规划；协调控制模块根据协作规划模块输出给予每个UUV期望的控制输入，形成正四面体型编队精确监控闯入目标的行为，根据分布式一致性算法对目标进行跟踪围捕。本发明专利技术实现多UUV目标跟踪围捕，能够对跟踪目标的精确定位，并根据跟踪精度自主形成期望跟踪队形；当水下通信不畅有延时或丢失时，多UUV根据所接收不完整的状态信息可对目标进行跟踪围捕。

A multi UUV tracking and trapping system and method

【技术实现步骤摘要】
一种多UUV跟踪围捕系统及围捕方法
本专利技术属于MUUV(多水下无人航行器，Multi-UnmannedUnderwaterVehicle)目标跟踪领域，涉及一种多UUV跟踪围捕系统，特别是一种基于一致性算法的多UUV跟踪围捕系统及围捕方法。
技术介绍
随着经济领域和军事领域上对海洋的开发日益增强，水下航行器成为了海洋开发探测中性价比最高的一种设备，是海洋工程和机器人领域重点研究热点之一。由于水下环境和任务的复杂性，单个的UUV无法满足某些任务的需求，多航行器技术由此产生，其利用航行器间的协同合作，提高了工作效率，增加了对水下环境的适应性，也更加适应复杂的任务。相对于单一的航行器，多航行器对水下的目标跟踪时其编队增强了多基探测的能力，编队的同构变换增加了跟踪距离和自身的隐蔽性，多个航行器间的协作扩大了水下的监视范围，并提高了整个编队的探测效率。分布式一致性算法是多UUV编队的重要技术，特别是在恶劣的水况出现通信延时、丢包等情况下，由分布式一致性控制主要依赖于局部信息，其系统结构具有较高的灵活性，UUV的增加或减少不会对整个系统的稳定性产生严重的影响。在水下围捕过程中，就要求UUV之间队形时常重构，则需要UUV的控制不能完全依赖全局信息，以保证顺利完成围捕任务。
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术要解决的技术问题是提供一种能够自主组成队形、水下通信可靠、在隐蔽环境下对目标跟踪精度高、增加可监测范围和对目标围捕的灵活性、在水下通信不畅时对目标可进行跟踪的的多UUV跟踪围捕系统以及围捕方法。为解决上述问题，本专利技术的一种多UUV跟踪围捕系统，包括四艘同构UUV；每艘UUV包括感知模块、通信模块、行为控制模块、协作规划模块、协调控制模块；感知模块通过传感器采集自身状态和周围环境信息，并进行融合处理，包括DVL、惯导、主动声纳、被动声纳；通信模块负责航行器之间的信息交互，包括水声通信、无线电通信和无线网络通信；协作规划模块通过感知模块检测目标状态和通信模块接收其他UUV信息，规划出UUV的期望路径，即到期望四面体型编队中的最优位置；协调控制模块根据协作规划模块的输出给予每个UUV期望的控制输入；行为控制模块控制每个UUV执行单元的控制输出，包括推进系统的力和操作面的角度。本专利技术的一种多UUV跟踪围捕系统还包括：追踪过程中被动声纳处于常开状态，当围捕时，切换为主动声纳。一种上述多UUV跟踪围捕系统的围捕方法，包括以下步骤：步骤一：多UUV保持航行编队，检测自身状态和周围环境，并保持UUV之间的通信；步骤二：当某UUV检测到任务目标时，此UUV切换为主动声纳对其进行跟踪且其他UUV向其靠拢，按以下规则测量与目标的相对距离：式中，ti表示声纳测量信号到达第i艘UUV的时间，||·||表示欧几里得范数，ξi表示第i艘UUV相对于UUV编队几何中心点的位置，ξr表示目标相对于UUV编队几何中心点的位置，C为水下声音传播速度；ni表示是噪声项，是一个标准差为σ的零均值高斯噪声；步骤三：根据多艘UUV的检测信息数据融合对目标精确定位，并开始向目标进行靠拢，一直到形成期望的正四面体型跟踪队形，通过协作规划模块做出如下规划：||ti-tij||≤ε上式，tij＝||ti-tj||,nij＝ni-nj，ε≥0为常值；步骤四：MUUV四面体型队形形成后，对目标继续进行跟踪，每个UUV根据协调控制模块的一致性公式产生控制指令并进行跟踪控制；期望正四面体队形棱长为α，即每艘UUV期望距离为α，每艘UUV与目标期望距离为R，此时只有最初的UUV开启主动声纳，其它UUV根据最初UUV所测信息形成队形；四艘执行追踪任务的UUV动力系统模型为：式中ξi∈Rm为第i艘UUV的位置信息；ζi∈Rm为第i艘UUV速度信息；ui∈Rm为第i艘UUV的控制输入；一致性算法控制律如下：式中对于i＝1,2,3,4和j＝1,2,3,4；aij是邻接矩阵在时间t时的第(i,j)项，当aij>0，aij≠1时，所得到的邻接矩阵为一种具有权重的图，表示航行器个体间的参数；γ1、γ2为正常数；△ij是第i艘UUV与第j艘UUV的位置差，△i为第i艘UUV与跟踪目标的位置差；ξr为跟踪目标的位置信息，ζr为跟踪目标的速度信息。步骤五：MUUV期望跟踪队形形成后，切换为围捕模式，开始继续对目标跟踪并缩小编队范围，此时其他UUV被动声纳转为主动声纳，对目标进行最后的围捕；步骤六：判断围捕任务是否结束，方法为满足下式：ti≤δ，i＝1,2,3,4式中，δ>0为常值，上式表示当UUV编队将被追踪目标围捕到最小值时围捕任务完成；若没有完成则进入步骤五。本专利技术的有益效果：本专利技术涉及多UUV队形保持及对闯入目标的跟踪，其一致性算法确保了水下通信可靠性，四点定位保证了在隐蔽环境下对目标跟踪的精度，队形的同构变换增加了可监测范围和对目标围捕的灵活性。在多UUV目标探测过程中，通过调整编队大小改善对跟踪目标的探测精度，扩大了水下的监视范围，并提高了整个编队的探测效率。可以实现多UUV追踪围捕过程中，特别是在通信不畅的情况下，对MUUV编队的控制器的设计。对目标追踪围捕过程所需信息量小，计算简单。本专利技术实现多UUV目标跟踪围捕，能够对跟踪目标的精确定位，并根据跟踪精度自主形成期望跟踪队形；当水下通信不畅有延时或丢失时，多UUV根据所接收不完整的状态信息可对目标进行跟踪围捕。附图说明图1为MUUV编队跟踪系统示意图；图2为MUUV与追踪目标间距；图3为MUUV期望围捕队型示意图；图4为MUUV跟踪围捕过程流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术具体实施方式做进一步说明。结合图1、图2，MUUV跟踪围捕系统结构如下，MUUV跟踪围捕系统包括四艘同构完整的UUV。每艘UUV都具有感知模块、通信模块、协作规划模块、协调控制模块、行为控制模块，每艘UUV的感知模块检测自身状态、周围环境和跟踪目标状态，感知模块包含被动声纳和主动声纳，追踪过程中被动声纳处于常开状态，保持UUV任务中的隐蔽性，当围捕时，切换为主动声纳增加对目标的检测精度；通信模块则负责在UUV间的进行信息交互；协作规划模块负责根据MUUV编队和目标状态信息对跟踪任务的合理规划，协作规划模块通过感知模块检测目标状态和通信模块接收其他UUV信息，规划出UUV的期望路径，即到期望四面体型编队中的最优位置。协调控制模块要负责多航行器系统的编队运动控制问题，结合通信模块传递的规划信息控制MUUV的状态信息，获得每个UUV的期望控制输入值，协调控制模块对UUV的控制器设计分布式采用一致性算法，只需接收部分UUV信息的情况下向行为控制模块输出控制输入；协调控制模块根据协作规划模块输出给予每个UUV期望的控制输入，形成正四面体型编队精确监控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多UUV跟踪围捕系统，其特征在于：包括四艘同构UUV；每艘UUV包括感知模块、通信模块、行为控制模块、协作规划模块、协调控制模块；/n感知模块通过传感器采集自身状态和周围环境信息，并进行融合处理，包括DVL、惯导、主动声纳、被动声纳；/n通信模块负责航行器之间的信息交互，包括水声通信、无线电通信和无线网络通信；/n协作规划模块通过感知模块检测目标状态和通信模块接收其他UUV信息，规划出UUV的期望路径，即到期望四面体型编队中的最优位置；/n协调控制模块根据协作规划模块的输出给予每个UUV期望的控制输入；/n行为控制模块控制每个UUV执行单元的控制输出，包括推进系统的力和操作面的角度。/n

【技术特征摘要】
1.一种多UUV跟踪围捕系统，其特征在于：包括四艘同构UUV；每艘UUV包括感知模块、通信模块、行为控制模块、协作规划模块、协调控制模块；
感知模块通过传感器采集自身状态和周围环境信息，并进行融合处理，包括DVL、惯导、主动声纳、被动声纳；
通信模块负责航行器之间的信息交互，包括水声通信、无线电通信和无线网络通信；
协作规划模块通过感知模块检测目标状态和通信模块接收其他UUV信息，规划出UUV的期望路径，即到期望四面体型编队中的最优位置；
协调控制模块根据协作规划模块的输出给予每个UUV期望的控制输入；
行为控制模块控制每个UUV执行单元的控制输出，包括推进系统的力和操作面的角度。


2.根据权利要求1所述的一种多UUV跟踪围捕系统，其特征在于：追踪过程中被动声纳处于常开状态，当围捕时，切换为主动声纳。


3.一种权利要求1所述的多UUV跟踪围捕系统的围捕方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：多UUV保持航行编队，检测自身状态和周围环境，并保持UUV之间的通信；
步骤二：当某UUV检测到任务目标时，此UUV切换为主动声纳对其进行跟踪且其他UUV向其靠拢，按以下规则测量与目标的相对距离：



式中，ti表示声纳测量信号到达第i艘UUV的时间，||·||表示欧几里得范数，ξi表示第i艘UUV相对于UUV编队几何中心点的位置，ξr表示目标相对于UUV编队几何中心点的位置，C为水下声音传播速度；ni表示是噪声项，是一个标准差为σ的零均值高斯噪声；
步骤三：根据多艘UUV的检测信息数据融合对目标精确定位，并开始向目标进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：周佳加，张强，王莹莹，管凤旭，陈涛，李本银，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23