一种双无人艇编队通过长直狭窄河道的运动控制方法技术

本发明专利技术属于多无人艇控制领域，具体提出一种双无人艇编队通过长直狭窄河道的运动控制方法，包括：实时基于每个无人艇当前位置及其航速，以及该无人艇在其所在编队中当前各邻居位置及其航速，通过蜂拥算法计算该无人艇的编队控制力；在各侧河道曲线上确定横坐标与每个无人艇当前位置横坐标相同的点，作为该无人艇在各河道的斥点，以通过斥力势分段函数，计算该无人艇与河道间的总斥力；基于每个无人艇当前位置以及其在另一个无人艇编队中的邻居无人艇位置，通过编队间的斥力势函数，计算该无人艇与其在另一无人艇编队中各邻居无人艇之间的总斥力。利用得到的三个力之和，更新无人艇下一时刻的速度和位置，实现双无人艇编队通过长直狭窄河道的目的。过长直狭窄河道的目的。过长直狭窄河道的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种双无人艇编队通过长直狭窄河道的运动控制方法


[0001]本专利技术属于多无人艇控制领域，更具体地，涉及一种双无人艇编队通过长直狭窄河道的运动控制方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着智能化机器人技术的发展，无人艇的研究已成为当下研究的热点。目前大多数研究聚焦于单个无人艇的控制上，但是单个无人艇受到自身条件的限制，难以完成较为复杂的任务，应用范围有限。通过多个无人艇的协同控制可以极大地提高工作效率，扩展作业范围，完成更为复杂的任务。
[0003]同时多无人艇在具有边界限制的河道或者峡湾工作时，现有技术难以进行有效的协同控制，尤其是在多个集群同时通过狭窄河道时，现有技术往往难以完成该情景下的任务。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种双无人艇编队通过长直狭窄河道的运动控制方法，其目的在于提出一种运动控制策略，避免碰撞，以有效完成双无人艇编队通过长直狭窄河道的任务。
[0005]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种双无人艇编队通过长直狭窄河道的运动控制方法，包括：
[0006]实时基于每个无人艇编队中每个无人艇当前的位置p
i
及其航速v
i
，以及该无人艇在该无人艇编队中当前的各邻居位置p
j
及其航速v
j
，结合该无人艇所在编队的虚拟领导者的当前位置p
r
以及速度v
r
，通过改进的蜂拥算法，计算该无人艇的编队控制力U
fi
；
[0007]在预先确定的各侧河道曲线上确定横坐标与每个无人艇当前位置的横坐标相同的点，作为该无人艇在各河道上的斥点；基于每个无人艇对应的两侧河道斥点，通过各侧河道对应的斥力势分段函数，计算该无人艇与河道间的总斥力，作为该无人艇的河道控制力U
ri
，其中所述斥力势分段函数是通过设定无人艇与河岸的安全距离与危险距离得到；
[0008]基于每个无人艇当前的位置p
i
以及其在另一个无人艇编队中的邻居无人艇的位置p
j
′
，通过编队间的斥力势函数，计算该无人艇与其在另一无人艇编队中各邻居无人艇之间的总斥力，作为该无人艇的编队间控制力U
oi
；
[0009]将每个无人艇的编队控制力U
fi
、河道控制力U
ri
和编队间控制力U
oi
矢量相加，作为该无人艇的总控制量，以更新该无人艇下一时刻的速度和位置，实现双无人艇编队通过长直狭窄河道的运动控制。
[0010]本专利技术的有益效果是：本专利技术提出在每个无人艇的运动控制中，总的运动控制输入包含三个部分，分别对应于无人艇编队控制，无人艇与河道之间的避碰控制以及不同无人艇集群之间的避碰控制。首先，在无人艇通过长直狭窄河道时，同一个集群中的无人艇会依据编队控制控制量形成晶格编队，其次，对于编队中的无人艇，河道会产生相应的河道斥
点，运用河道分段斥力势函数，依据距离河岸的位置产生不同大小的斥力U
ri
，将无人艇编队限制在长直狭窄的河道之中，完成多无人艇协同编队通过长直狭窄河道；另外，运用编队间的斥力势函数可以得到编队间的斥力U
oi
，实现不同编队之间无人艇的避碰。本专利技术方法获取的信息均比较容易采集，利用无人艇和邻居的相关信息，完成了编队任务；依据设计出的河道分段斥力势函数，实现在狭窄长直地形约束下编队顺利通过；运用势场法设计出编队间的斥力势函数，实现了双编队之间的避碰。该专利技术扩展了无人艇的应用范围，提高了无人艇完成任务的效率，落实了多智能体理论的应用，具有广泛的前景。
[0011]进一步，每个无人艇编队的虚拟领导者的初始位置为该无人艇编队中各无人艇初始的位置的平均值，在每次运动控制中，通过该虚拟领导者的动力学模型更新其位置；
[0012]每个无人艇编队的虚拟领导者的速度为该无人艇编队的目标速度，取值为预设固定值。
[0013]本专利技术的进一步有益效果是：虚拟领导者的位置与速度的确定方法快捷高效。
[0014]进一步，每侧河道的河道曲线采用如下方式构建得到：
[0015]均匀地采集该侧河道m个点，得到各点的位置坐标；将每侧河道的m个点进行曲线拟合，得到该侧河道对应的河道曲线。
[0016]本专利技术的进一步有益效果是：该方法简单高效。
[0017]进一步，每个无人艇编队中第i个无人艇的编队控制力U
fi
的计算方式为：
[0018][0019]式中，m
i
为每个无人艇编队中第i个无人艇的质量；α1、α2为编队控制系数，给定值；N
i
表示所述第i个无人艇在其所在编队中的邻居无人艇的总个数；均大于0；φ
α
表示α动作函数；p
j
表示所述第i个无人艇在其所在无人艇编队中当前的第j个邻居无人艇的位置；p
i
表示所述第i个无人艇的位置；v
j
表示所述第i个无人艇在其所在无人艇编队中第j个邻居无人艇的航速；v
i
表示所述第i个无人艇的航速；c1、c2为目标追踪系数；p
r
表示第i个无人艇所在无人艇编队虚拟领导者的位置；v
r
表示第i个无人艇所在无人艇编队虚拟领导者的速度即该编队的目标速度；
[0020]φ
α
(x)＝ρ
h
(x/||R||
σ
)φ(x
‑
||d||
σ
)；x＝||p
j
‑
p
i
||
σ
[0021][0022]式中，d为编队形成时编队中的无人艇之间的期望距离；R表示无人艇编队中无人艇与其在同一编队中邻居间的临界距离，均为给定值；
[0023]a
ij
(p)＝ρ
h
(p)∈[0,1],j≠i，p＝||p
j
‑
p
i
||
σ
/||R||
σ
；
[0024][0025]式中，h∈(0,1)，给定值。
[0026]进一步，第i个无人艇与其对应的第k侧河道斥点之间的斥力势分段函数为：
[0027][0028]式中，d
saf
为河道安全距离；d
dan
为河道危险距离；d
saf
≥d
dan
，均为给定值；X
k
＝||p
i
‑
p
ick
||，p
ick
表示第i个无人艇在第k侧河道的斥点位置，k表示两侧河道的编号，取值为1或2；λ1、λ2、θ均为势场系数，λ2>λ1>0，θ>0；C...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双无人艇编队通过长直狭窄河道的运动控制方法，其特征在于，包括：实时基于每个无人艇编队中每个无人艇当前的位置p
i
及其航速v
i
，以及该无人艇在该无人艇编队中当前的各邻居位置p
j
及其航速v
j
，结合该无人艇所在编队的虚拟领导者的当前位置p
r
以及速度v
r
，通过改进的蜂拥算法，计算该无人艇的编队控制力U
fi
；在预先确定的各侧河道曲线上确定横坐标与每个无人艇当前位置的横坐标相同的点，作为该无人艇在各河道上的斥点；基于每个无人艇对应的两侧河道斥点，通过各侧河道对应的斥力势分段函数，计算该无人艇与河道间的总斥力，作为该无人艇的河道控制力U
ri
，其中所述斥力势分段函数是通过设定无人艇与河岸的安全距离与危险距离得到；基于每个无人艇当前的位置p
i
以及其在另一个无人艇编队中的邻居无人艇的位置p
j
′
，通过编队间的斥力势函数，计算该无人艇与其在另一无人艇编队中各邻居无人艇之间的总斥力，作为该无人艇的编队间控制力U
oi
；将每个无人艇的编队控制力U
fi
、河道控制力U
ri
和编队间控制力U
oi
矢量相加，作为该无人艇的总控制量，以更新该无人艇下一时刻的速度和位置，实现双无人艇编队通过长直狭窄河道的运动控制。2.根据权利要求1所述的运动控制方法，其特征在于，每个无人艇编队的虚拟领导者的初始位置为该无人艇编队中各无人艇初始的位置的平均值，在每次运动控制中，通过该虚拟领导者的动力学模型更新其位置；每个无人艇编队的虚拟领导者的速度为该无人艇编队的目标速度，取值为预设固定值。3.根据权利要求1所述的运动控制方法，其特征在于，每侧河道的河道曲线采用如下方式构建得到：均匀地采集该侧河道m个点，得到各点的位置坐标；将每侧河道的m个点进行曲线拟合，得到该侧河道对应的河道曲线。4.根据权利要求1所述的运动控制方法，其特征在于，每个无人艇编队中第i个无人艇的编队控制力U
fi
的计算方式为：式中，m
i
为每个无人艇编队中第i个无人艇的质量；α1、α2为编队控制系数，给定值；N
i
表示所述第i个无人艇在其所在编队中的邻居无人艇的总个数；均大于0；φ
α
表示α动作函数；p
j
表示所述第i个无人艇在其所在无人艇编队中当前的第j个邻居无人艇的位置；p
i
表示所述第i个无人艇的位置；v
j
表示所述第i个无人艇在其所在无人艇编队中第j个邻居无人艇的航速；v
i
表示所述第i个无人艇的航速；c1、c2为目标追踪系数；p
r
表示第i个无人艇所在无人艇编队虚拟领导者的位置；v
r
表示第i个无人艇所在无人艇编队虚拟领导者的速度即该编队的目标速度；φ
α
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海涛，梁诗亚，孙思卿，邹家喻，丁佳宁，陈都鑫，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：