一种考虑障碍物避让的新型无人船虚拟结构编队控制方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑障碍物避让的新型无人船虚拟结构编队控制方法。本发明专利技术通过虚拟结构法构建基础轨迹，这些基础轨迹被参数化从而保证任意时刻都能维持队形。针对环境中存在障碍物的情况，本发明专利技术应用了人工势场法来调整基础轨迹以生成避让障碍物的参考轨迹，可以有效避免无人船在运动过程中的碰撞。本发明专利技术针对无人船设计了轨迹跟踪控制器来跟踪经过调整后的参考轨迹，可以保证多无人船这一闭环系统的稳定性，同时又通过对基础轨迹中所包含的路径参数的选取，保证了编队误差在运动全过程中尽可能的小。本发明专利技术易于实现，可以实现无人船队的编队跟踪和障碍物避让，保证系统的稳定性和良好的跟踪特性。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑障碍物避让的新型无人船虚拟结构编队控制方法
本专利技术属于编队控制领域，具体来说是一种面向无人船的考虑障碍物避让的虚拟结构编队控制方法，可以保证无人船编队在有环境障碍物的情况下编队跟踪误差尽可能的小。
技术介绍
随着自动化技术的不断发展，无人船的协同运动在海洋勘探和救援等领域发挥了重要作用，具有广泛的应用前景，编队控制是这一技术中的重点问题。无人船的编队控制增强了船队控制的鲁棒性和有效性，使得无人船队相比单个无人船可以处理更加复杂的水下任务，被应用在更加恶劣的海底地形中。然而，大部分的无人船编队控制设计没有很好地考虑环境中存在的障碍物，并不能在实际应用中既保持编队又完成对预定轨迹的良好跟踪。大部分编队控制采用领导跟随法，即在队伍中指定领导者和跟随者，领导者跟踪预定轨迹，同时跟随者跟随领导者，从而保持编队跟踪运动。然而，这一方法缺乏来自跟随者的反馈，使得当跟随者遇到环境障碍时，队形容易被破坏从而不能有较好的编队跟踪表现。为此，文献“Practicalformationcontrolofmultipleunderactuatedsh本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑障碍物避让的新型无人船虚拟结构编队控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/n第一步：确定无人船运动学模型，该运动模型中包括无人船重心处的全局坐标x,y,朝向角θ；线速度ν、角速度ω，其中ν和ω是无人船的控制输入；/n采用虚拟结构法生成参数化的基础轨迹，得到无人船的期望输入；/n第二步：通过人工势场法来调整基础轨迹以生成参考轨迹，设计基础轨迹中所含路径参数；/n所述的引入人工势函数如下：/n

【技术特征摘要】
1.一种考虑障碍物避让的新型无人船虚拟结构编队控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：确定无人船运动学模型，该运动模型中包括无人船重心处的全局坐标x,y,朝向角θ；线速度ν、角速度ω，其中ν和ω是无人船的控制输入；
采用虚拟结构法生成参数化的基础轨迹，得到无人船的期望输入；
第二步：通过人工势场法来调整基础轨迹以生成参考轨迹，设计基础轨迹中所含路径参数；
所述的引入人工势函数如下：



其中，d是第i艘无人船到障碍物的距离，R是障碍物外围可探测区域的半径，无人船进入这一范围可探查到障碍物的存在，r是障碍物的半径；
对第i艘无人船受到的Γi在其重心处的全局坐标xi,yi方向上求微分，得到：






其中xp、yp是障碍物的坐标；
定义虚拟力向量：



其中kpi为正的常数；
将该虚拟力向量转换到无人船坐标系上：



其中θi是第i艘无人船朝向角
定义避障调整量为：
νai＝-c3iΨvi
ωai＝-c4iΨwi
其中c3i,c4i为正的常数；
通过上述调整分量，对第i艘无人船的期望线速度νbi和期望角速度ωbi进行调整，得到第i艘无人船的参考输入：
νri＝νbi+νai，ωri＝ωbi+ωai
调整后的无人船参考轨迹如下：
Rri(t)＝(1-η)Rbi(s)+ηRai(t)
其中是切换系数；Rbi(s)是第i艘无人船所期望的基础轨迹，Rai(t)是调整轨迹；
选取合适的路径参数s，使得无人船队形在遇到障碍物时有良好的编队跟踪表现，满足以下两个要求：
a,路径参数s要反映整体队形的编队误差；
b,路径参数s还要让编队在遇到障碍物时继续保持跟踪而非阻滞不动，所以能反映出编队所遇到障碍物情况；
第三步：设计针对无人船的参考轨迹跟踪控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈正，陈宣霖，唐建中，聂勇，朱世强，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33