一种切换通讯拓扑下无人船编队规划与制导方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种切换通讯拓扑下无人船编队规划与制导方法及系统，系统包括路径导引包含运动生成器模块、分布式路径参数更新模块、双偶极向量场模块、基于向量场的制导律模块以及通讯网络；本发明专利技术采用路径导引包含运动生成器模块实现了多种包含操纵编队队形，提高了多个无人船之间协同的灵活性和对复杂的海洋环境下的适应性；采用通讯层和制导层独立分开设计，实现了通讯和制导的解耦，提高了设计和实现的灵活性；采用基于向量场的制导律来跟踪参考点，实现了欠驱动多无人船在初始暂态过程以及在编队切换的过程中的平滑过渡。

【技术实现步骤摘要】
一种切换通讯拓扑下无人船编队规划与制导方法及系统
本专利技术涉及无人船控制领域，尤其涉及一种切换通讯拓扑下无人船编队规划与制导方法及系统。
技术介绍
现有多无人船编队控制方法主要包括领航-跟随法，虚拟结构法，图论法，人工势场法等。基于图论法的编队控制包括基于单领航者的分布式操纵和基于多领航者的分布式包含操纵。从控制器设计方面来看，现有多无人船包含操纵方法仍存在着以下不足：第一，现有欠驱动多无人船包含操纵方法大都考虑固定通信拓扑，没有考虑切换通讯拓扑结构下的多无人船包含操纵控制问题，不能够实现多种包含操纵编队队形，降低了复杂海况下无人船编队的灵活性。第二，现有的无人船包含操纵编队控制方法，通常把通讯协议和制导控制放在一起设计，通讯和制导环节存在耦合，不能实现通讯协议和制导控制的解耦设计，降低了设计和实现的灵活性。第三，现有无人船包含操纵编队控制方法没有考虑暂态控制过程，导致无人船不能够平滑跟踪给定的曲线，尤其是不能保证多无人船编队切换过程中的平稳过渡。
技术实现思路
本专利技术提供一种切换通讯拓扑下无人船编队规划与制导方法及系统，以克服上述技术问题。本专利技术一种切换通讯拓扑下无人船编队规划与制导方法，包括：建立无人船编队模型及无人船运动学模型；所述无人船编队模型，包括：超级领导者、至少两个虚拟领导者、多艘无人船及用于无人船编队之间相互通讯的通讯网络；根据从通讯网络中获取的邻居无人船和邻居虚拟领导者的参考位置信号，得到所述受控无人船的参考点的包含误差信号；根据从通讯网络中获取的第k艘虚拟领导者的路径参数及所述包含误差信号，以及第k艘虚拟领导者与超级领导者之间的路径参数偏差，得到更新的虚拟领导者的参考路径信息，并更新所述包含误差信号；根据更新的所述参考路径信息和包含误差信号，得到受控无人船的参考点和参考位置信号；并根据所述受控无人船的参考点和参考位置信号，生成受控无人船的向量场信号；根据所述向量场信号得到制导信号；受控无人船通过跟踪所述制导信号，在通讯网络的拓扑结构发生改变时，受控无人船与虚拟领导者之间的跟踪误差快速收敛至零并保持。进一步地，所述无人船运动学模型，表示为：其中，下角标i代表第i艘无人船，即所述受控无人船；xi、yi、ψi分别代表无人船在地球坐标系下的x轴、y轴上的位置以及艏摇角；ui、vi、ri分别代表无人船在船体坐标系下的纵荡速度、横漂速度和艏摇角速度。进一步地，所述根据从通讯网络中获取的邻居无人船和邻居虚拟领导者的参考位置信号，得到所述受控无人船的参考点的包含误差信号，包括：所述邻居无人船的参考位置信号表示为其中分别为邻居无人船参考位置信号的横、纵坐标；同时将受控无人船的位置参考信号发送到通信网络中；所述邻居虚拟领导者的参考位置信号，表示为：pkr(θk)＝[xk(θk)，yk(θk)]T，其中θk是从通讯网络中获取的路径参数；通过式(2)计算第i艘无人船的参考点的包含误差信号，表示为：定义为通讯拓扑图，其中，为边缘集，和分别表示M个跟随者节点和N-M个虚拟领导者节点，为一个超级领导者节点，(i，j)表示节点i从节点j获取信息，当(i，j)∈ε时，aij＝1；当时，aij＝0；当(i，k)∈ε时，aik＝1；当时，aik＝0。进一步地，所述根据从通讯网络中获取的第k艘虚拟领导者的路径参数及所述包含误差信号，以及第k艘虚拟领导者与超级领导者之间的路径参数偏差，得到更新的虚拟领导者的参考路径信息，并更新包含误差信号，包括：对式(2)进行求导后得到第k艘虚拟领导者的参考路径信息，表示为：其中，wk为第k艘虚拟领导者的分布式路径参数更新律；通过式(4)计算第k艘虚拟领导者的分布式路径参数更新律wk，表示为：其中，为路径参数更新增益，通过式(5)计算第k艘虚拟领导者与超级领导者之间的路径参数偏差表示为：其中，进一步地，所述根据更新的所述参考路径信息和包含误差信号，得到受控无人船的参考点和参考位置信号，包括：通过式(6)计算第i艘无人船的参考点，表示为：其中，为增益矩阵，和均为控制增益。进一步地，所述并根据所述受控无人船的参考点和参考位置信号，生成受控无人船的向量场信号，包括：所述更新的第i艘无人船的参考点表示为：所述第i艘无人船当前的参考位置信号表示为：pi＝[xi，yi]T；通过式(7)计算第i艘无人船的向量场信号，表示为：其中，向量场是由第i个参考点产生的，并且有κi≥2，进一步地，所述根据所述向量场信号得到制导信号，包括：通过式(8)计算所述制导信号和表示为：其中，和为制导增益，和为用来避免在暂态过程中抑制制导信号的参量。一种切换通讯拓扑下无人船编队规划与制导系统，包括：路径导引包含运动生成器模块、分布式路径参数更新模块、双偶极向量场模块、基于向量场的制导律模块以及通讯网络；无人船编队，包括：超级领导者、至少两个虚拟领导者及多艘无人船；所述分布式路径参数更新模块的两个输入端分别与通讯网络和路径导引包含运动生成器模块相连，输出端分别与通讯网络和路径导引包含运动生成器模块相连；所述路径导引包含运动生成器模块的输入端分别与通讯网络和分布式路径参数更新模块相连，输出端分别与通讯网络和分布式路径参数更新模块以及双偶极向量场模块相连；所述双偶极向量场模块的输入端分别与受控无人船的输出端和路径导引包含运动生成器模块相连，输出端与基于向量场的制导律模块相连；所述基于向量场的制导律模块的输入端与双偶极向量场模块相连，输出端与受控无人船相连；所述通讯网络，用于无人船编队之间相互通讯；所述路径导引包含运动生成器模块，用于根据无人船和虚拟领导者的参考路径信息，得到所述受控无人船的参考点的包含误差信号，并输出至所述分布式路径参数更新模块；根据所述虚拟领导者的参考路径信息和包含误差信号，得到受控无人船的参考点，并输出至所述双偶极向量场模块；所述分布式路径参数更新模块，用于根据从通讯网络中获取的第k艘虚拟领导者的路径参数及所述包含误差信号，以及第k艘虚拟领导者与超级领导者之间的路径参数偏差，得到虚拟领导者的参考路径信息，并输出至所述路径导引包含运动生成器模块；所述双偶极向量场模块，用于根据所述受控无人船的参考点及受控无人船输入的参考位置信号，得到无人船的向量场信号；所述基于向量场的制导律模块，用于根据所述向量场信号得到制导信号；受控无人船通过跟踪所述制导信号，在通讯网络的拓扑结构发生改变时，受控无人船与虚拟领导者之间的跟踪误差快速收敛至零并保持。本专利技术采用路径导引包含运动生成器模块解决了切换通讯拓扑结构下的多无人船包含操纵控制问题，提高了多个无人船之间协同的灵活性和对复杂的海洋环境下的适应性；采用通讯层和制导层独立分开设计，实现了通讯和制导的解耦，提高了设计和实现的灵活性；采用基于向量场的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种切换通讯拓扑下无人船编队规划与制导方法，其特征在于，包括：/n建立无人船编队模型及无人船运动学模型；所述无人船编队模型，包括：超级领导者、至少两个虚拟领导者、多艘无人船及用于无人船编队之间相互通讯的通讯网络；/n根据从通讯网络中获取的邻居无人船和邻居虚拟领导者的参考位置信号，得到所述受控无人船的参考点的包含误差信号；/n根据从通讯网络中获取的第k艘虚拟领导者的路径参数及所述包含误差信号，以及第k艘虚拟领导者与超级领导者之间的路径参数偏差，得到更新的虚拟领导者的参考路径信息，并更新所述包含误差信号；/n根据更新的所述参考路径信息和包含误差信号，得到受控无人船的参考点和参考位置信号；并根据所述受控无人船的参考点和参考位置信号，生成受控无人船的向量场信号；/n根据所述向量场信号得到制导信号；受控无人船通过跟踪所述制导信号，在通讯网络的拓扑结构发生改变时，受控无人船与虚拟领导者之间的跟踪误差快速收敛至零并保持。/n

【技术特征摘要】
1.一种切换通讯拓扑下无人船编队规划与制导方法，其特征在于，包括：
建立无人船编队模型及无人船运动学模型；所述无人船编队模型，包括：超级领导者、至少两个虚拟领导者、多艘无人船及用于无人船编队之间相互通讯的通讯网络；
根据从通讯网络中获取的邻居无人船和邻居虚拟领导者的参考位置信号，得到所述受控无人船的参考点的包含误差信号；
根据从通讯网络中获取的第k艘虚拟领导者的路径参数及所述包含误差信号，以及第k艘虚拟领导者与超级领导者之间的路径参数偏差，得到更新的虚拟领导者的参考路径信息，并更新所述包含误差信号；
根据更新的所述参考路径信息和包含误差信号，得到受控无人船的参考点和参考位置信号；并根据所述受控无人船的参考点和参考位置信号，生成受控无人船的向量场信号；
根据所述向量场信号得到制导信号；受控无人船通过跟踪所述制导信号，在通讯网络的拓扑结构发生改变时，受控无人船与虚拟领导者之间的跟踪误差快速收敛至零并保持。


2.根据权利要求1所述的一种切换通讯拓扑下无人船编队规划与制导方法，其特征在于，所述无人船运动学模型，表示为：



其中，下角标i代表第i艘无人船，即所述受控无人船；xi、yi、ψi分别代表无人船在地球坐标系下的x轴、y轴上的位置以及艏摇角；ui、vi、ri分别代表无人船在船体坐标系下的纵荡速度、横漂速度和艏摇角速度。


3.根据权利要求2所述的一种切换通讯拓扑下无人船编队规划与制导方法，其特征在于，所述根据从通讯网络中获取的邻居无人船和邻居虚拟领导者的参考位置信号，得到所述受控无人船的参考点的包含误差信号，包括：
所述邻居无人船的参考位置信号表示为其中分别为邻居无人船参考位置信号的横、纵坐标；同时将受控无人船的位置参考信号发送到通信网络中；
所述邻居虚拟领导者的参考位置信号，表示为：
pkr(θk)＝[xk(θk)，yk(θk)]T，其中θk是从通讯网络中获取的路径参数；
通过式(2)计算第i艘无人船的参考点的包含误差信号，表示为：



定义为通讯拓扑图，其中，为边缘集，和分别表示M个跟随者节点和N-M个虚拟领导者节点，为一个超级领导者节点，(i，j)表示节点i从节点j获取信息，当(i，j)∈ε时，aij＝1；当时，aij＝0；当(i，k)∈ε时，aik＝1；当时，aik＝0。


4.根据权利要求3所述的一种切换通讯拓扑下无人船编队规划与制导方法，其特征在于，所述根据从通讯网络中获取的第k艘虚拟领导者的路径参数及所述包含误差信号，以及第k艘虚拟领导者与超级领导者之间的路径参数偏差，得到更新的虚拟领导者的参考路径信息，并更新包含误差信号，包括：
对式(2)进行求导后得到第k艘虚拟领导者的参考路径信息，表示为：



其中，wk为第k艘虚拟领导者的分布式路径参数更新律；
通过式(4)计算第k艘虚拟领导者的分布式路径参数更新律wk，表示为：



其中，为路径参数更新增益，
通过式(5)计算第k艘虚拟领导者与超级领导者之间的路径参数偏差表示为：

【专利技术属性】
技术研发人员：彭周华，古楠，徐彦平，刘陆，王浩亮，王丹，尹勇，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21