无人船编队队形分离与恢复方法技术

本发明专利技术属于无人船及多智能体航行技术领域，具体涉及一种无人船编队队形分离与恢复方法。在无人船编队需要执行特定的区域的航行任务进行集群避险时，无人船编队可依靠该机制生成多条可航安全路径，子编队根据每条无人船的路径归纳同一段路径的无人船形成编队，每个子编队会根据编队中无人船数量形成适合自身编队的队形。本发明专利技术有利于提升无人船编队在多路径、多子编队方面的探索与应用，为改进现有无人集群的运动模式提供了新思路，为无人船编队的在海上进行多种任务的应用指明了方向。的在海上进行多种任务的应用指明了方向。的在海上进行多种任务的应用指明了方向。

【技术实现步骤摘要】
无人船编队队形分离与恢复方法


[0001]本专利技术属于无人船及多智能体航行
，具体涉及一种无人船编队队形分离与恢复方法。

技术介绍

[0002]近年来，水面自主无人船(Maritime Autonomous Surface Ship,MASS)已经在海上交通方面上取得了许多的应用成果。通常情况下，欠驱动的水面自主无人船可完成巡逻、搜救及测绘等领域的任务，也可以多艘无人船形成编队去完成更复杂的任务。无人船编队的优势在于，编队内可以分成小规模的编队去完成多项子任务，也可以作为一整个编队保障编队的安全性。无人船编队在行进时的主要问题包括如何维持编队队形和进行编队内子船的路径跟随任务，以及如何划分成更小规模的编队分开执行任务。对于编队重新整合编队队形，其中最主要的就是实现编队的队形的分离与恢复。
[0003]由于编队通常以整体而存在，编队内船舶航行的路径由编队内的领导者单一引导，无人船编队按照单一领导者的路径和避碰行为进行决策和行动，由于编队内的无人船的位置存在不确定性，仅仅把编队作为一个整体看待无法满足编队安全避碰的要求；编队内的无人船在进行分路径航行及避让时，在脱离编队的控制后，往往存在子无人船无法回归编队、无法接受编队的指令等问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种无人船编队队形分离与恢复方法，以解决
技术介绍
中存在的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种无人船编队队形分离与恢复方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1：建立无人船编队从规定起点到终点的多条路径；
[0007]步骤2：无人船编队按照每条船设计好的路径开始行进；在开始阶段，无人船L作为编队的领导者，每个无人船初始的子目标点与一致，无人船r作为L的跟随船，无人船L与r形成子编队行进，完成上述操作后，各个无人船的状态更新为领导者与跟随船，按照迭代周期行进；
[0008]步骤3：根据各无人船子编队中无人船数量建立相应的编队队形；
[0009]步骤4：无人船到达各自对应目标点后，根据各船对应的下一目标点的不同，将下一目标点相同的无人船生成子编队，其中以最早更新子目标点的无人船作为该子编队的子领导者，其他后续迭代中更新子目标点为的无人船为跟随船，自此，无人船编队进行自动分离划分为多条路径和多个子编队，各个子编队根据步骤3调整自身编队的队形，实现无人船编队的主动分离；
[0010]步骤5：任意编队状态发生变更时，进行编队内无人船状态的更新；
[0011]步骤6：无人船编队依照更新后的编队的状态，形成下一迭代过程中的无人船子领导者队列，无人船跟随者队列，每条无人船都有其自身的目标点，在下一次迭代中根据计算得到的编队的每一条船的目标点，更新编队终每条无人船的位置，实现编队队形的恢复。
[0012]优选地，步骤1中包括：包括：
[0013]首先，获取航行区域的主要岛屿的边界采样信息，将岛屿的边界经纬度坐标转化为XOY平面的投影坐标，并根据岛屿的相对位置，在简化后的航行图上将岛屿的边界标注出来：
[0014]获取了航行区域的简化后的岛屿边界信息，设定无人船编队在航行图上的起点与终点坐标。选取无人船r，将无人船r的起点与无人船r的终点goal
r
相连，获得角度判断无人船r当前的连线是否与任意标注的岛屿边界相交，计算第一次无人船r起点位置与所有岛屿边界形成的角度信息
[0015][0016]式(1)中，表示无人船r的第k次向终点相连的角度，表示无人船r在第k次所处位置向航行图中岛屿i的顶点相连的角度信息，表示无人船r第k 次向终点连线与岛屿相交的集合值，该值的大小代表了无人船r第k次与终点相连时与航行图中岛屿相交的数量；
[0017]将(1)式计算后可得到当前无人船r的位置与终点的连线是否穿越了航行图中岛屿i的内部；
[0018]如果大于0，则找出与无人船r当前位置最近的岛屿，说明无人船在前往终点的路线上首先碰到的是岛屿i。根据岛屿i与无人船r的角度，将沿顺逆时针找到与岛屿相切的角度与选中其中一个角度作为无人船r第k+1次向终点相连的角度并根据岛屿的顶点信息确定无人船r第k次向终点相连的路径起点如果等于0，说明无人船r自向终点相连的路径为无碰撞路径；
[0019]将无人船r当前位置更改为将与计算得到的继续进行式(1)的计算；并根据的值，进行无人船r下一位置点的坐标和角度记录；
[0020]当等于0，说明无人船r当前自向终点goal
r
相连的路径为无碰撞路径。则记录无人船r的路径信息，并保存为无人船r的路径；
[0021]无人船r的路径得到后，进行下一无人船的路径生成，直到所有无人船都完成路径生成。
[0022]优选地，步骤3中，
[0023]根据步骤2,得到本次迭代完成后的编队子领导者队列和跟随船队列，需要对每个子领导者下属的编队重新设计编队队形；
[0024]步骤3
‑
1)对无人船的子领导者按序号从小到大的顺序，首先输入领导者船的编号m，领导者船在本次迭代时的位置P
m
(j)，子领导者船m所属的跟随船集群数量fol
m
；设定一排
编队中最多存在n(fol
m
)数量的无人船，计算fol
m
与n(fol
m
)的余数 mod(fol
m
)，确定编队的设定队形；
[0025]步骤3
‑
2)根据无人船m的位置、跟随船集群数量fol
m
及fol
m
与n(fol
m
)的余数 mod(fol
m
)，利用公式组(3)计算跟随船集群中每艘跟随船应当跟随的位置，
[0026][0027][0028]公式组(3)中表示计算得到的子领导者无人船m的第i个跟随船的跟随坐标，n(fol
m
)表示设定一排无人船的个数，mod表示除后的余数，[] 表示除后取整，l
x
,l
y
表示跟随船的位置偏移量，
[0029]将跟随位置坐标与跟随船下一迭代中的目标点一一对应；
[0030]步骤3
‑
3)根据子领导者队列中的无人船的序号，重新计算步骤3
‑
1),3
‑
2) 遍历计算所有子领导者无人船下属的跟随船集群中每条跟随船的跟随位置。
[0031]优选地，步骤5中，包括；
[0032]步骤5
‑
1)记录本次迭代周期过程中，每条无人船的子目标点，每条无人船自身状态，以及每条无人船当前的位置，子领导者的队列，跟随船的队列。
[0033]步骤5
‑
2)无人船编队中子领导者间的状态更新
[0034]在本次迭代周期中，对子领导者的队列，进行判别更新，首先对子领导者m 的回归总编队状态识别本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人船编队队形分离与恢复方法，其特征在于:包括以下步骤：步骤1：建立无人船编队从规定起点到终点的多条路径；步骤2：无人船编队按照每条船设计好的路径开始行进；在开始阶段，无人船L作为编队的领导者，每个无人船初始的子目标点与一致，无人船r作为L的跟随船，无人船L与r形成子编队行进，完成上述操作后，各个无人船的状态更新为领导船与跟随船，按照迭代周期行进；步骤3：根据各无人船子编队中无人船数量建立相应的编队队形；步骤4：无人船到达各自对应目标点后，根据各船对应的下一目标点的不同，将下一目标点相同的无人船生成子编队，其中以最早更新子目标点的无人船作为该子编队的子领导者，其他后续迭代中更新子目标点为的无人船为跟随船，自此，无人船编队进行自动分离划分为多条路径和多个子编队，各个子编队根据步骤3调整自身编队的队形，实现无人船编队的主动分离；步骤5：任意编队状态发生变更时，进行编队内无人船状态的更新；步骤6：无人船编队依照更新后的编队的状态，形成下一迭代过程中的无人船子领导者队列，无人船跟随者队列，每条无人船都有其自身的目标点，在下一次迭代中根据计算得到的编队的每一条船的目标点，更新编队终每条无人船的位置，实现编队队形的恢复。2.根据权利要求1所述的无人船编队队形分离与恢复方法，其特征在于:步骤1中包括：包括：首先，获取航行区域的主要岛屿的边界采样信息，将岛屿的边界经纬度坐标转化为XOY平面的投影坐标，并根据岛屿的相对位置，在简化后的航行图上将岛屿的边界标注出来：获取了航行区域的简化后的岛屿边界信息，设定无人船编队在航行图上的起点与终点坐标。选取无人船r，将无人船r的起点与无人船r的终点goal
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相连，获得角度判断无人船r当前的连线是否与任意标注的岛屿边界相交，计算第一次无人船r起点位置与所有岛屿边界形成的角度信息边界形成的角度信息式(1)中，表示无人船r的第k次向终点相连的角度，表示无人船r在第k次所处位置向航行图中岛屿i的顶点相连的角度信息，表示无人船r第k次向终点连线与岛屿相交的集合值，该值的大小代表了无人船r第k次与终点相连时与航行图中岛屿相交的数量；将(1)式计算后可得到当前无人船r的位置与终点的连线是否穿越了航行图中岛屿i的内部；如果大于0，则找出与无人船r当前位置最近的岛屿，说明无人船在前往终点的路线上首先碰到的是岛屿i；根据岛屿i与无人船r的角度，将沿顺逆时针找到与岛屿相切的角度与选中其中一个角度作为无人船r第k+1次向终点相连的角度并根据岛屿的顶点信息确定无人船r第k次向终点相连的路径起点如果等于0，说明无人船r自
向终点相连的路径为无碰撞路径；将无人船r当前位置更改为将与计算得到的继续进行式(1)的计算；并根据的值，进行无人船r下一位置点的坐标和角度记录；当等于0，说明无人船r当前自向终点goal
r
相连的路径为无碰撞路径。则记录无人船r的路径信息，并保存为无人船r的路径；无人船r的路径得到后，进行下一无人船的路径生成，直到所有无人船都完成路径生成。3.根据权利要求1所述的无人船编队队形分离与恢复方法，其特征在于:步骤3中，根据步骤2,得到本次迭代完成后的编队子领导者队列和跟随船队列，需要对每个子领导者下属的编队重新设计编队队形；步骤3
‑
1)对无人船的子领导者按序号从小到大的顺序，首先输入领导者船的编号m，领导者船在本次迭代时的位置P
m
(j)，子领导者船m所属的跟随船集群数量fol
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；设定一排编队中最多存在n(fol
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)数量的无人船，计算fol
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)的余数mod(fol
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)，确定编队的设定队形；步骤3
‑
2)根据无人船m的位置、跟随船集群数量fol
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)的余数mod(fol
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)，利用公式组(3)计算跟随船集群中每艘跟随船应当跟随的位置，利用公式组(3)计算跟随船集群中每艘跟随船应当跟随的位置，公式组(3)中表示计算得到的子领导者无人船m的第i个跟随船的跟随坐标，n(fol
m
)表示设定一排无人船的个数，mod表示除后的余数，[]表示除后取整，l
x
,l
y
表示跟随船的位置偏移量，将跟随位置坐标与跟随船下一迭代中的目标点一一对应；步骤3
‑
3)根据子领导者队列中的无人船的序号，重新计算步骤3
‑
1),3
‑
2) 遍历计算所有子领导...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈翔宇，高邈，张安民，李雪伟，康振，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：