[发明专利]一种可变领航员模式的多无人艇协同编队方法

说明书

本发明涉及一种可变领航员模式的多无人艇协同编队方法，S10，进行队形分配；S20，构建全连通图；S30，确定领航员；S40,根据无人艇运动学模型及队形关系，建立无人艇编队运动学模型；S50，编队运动决策；S60，确定无人艇控制量；S70，判断编队任务是否完成。本发明建立指派问题模型分配队形，引入总路径与总时间目标函数，从而达到在队形变换中总路径与总时间目标函数最优，并构建全联通图，从而达到紧急变换队形过程中变换领航员，保证编队高效安全航行。

技术领域

本发明属于属于多无人艇协同编队领域，涉及一种可变领航员模式的多无人艇协同编队方法。

背景技术

在随着智能驾驶技术和无人技术的发展，无人艇(Unmanned Surface Vessel,USV)在海洋工程中的应用吸引了大量的专家和学者进行研究。依靠其作业成本低、作业范围广、环境适应性强等特点，已经在测绘、勘探、环保监测、安防巡逻、排雷、反潜、侦查等军民领域逐步得到应用。

在复杂海洋环境中，单一无人艇往往很难或者无法完成复杂的作业任务，采用多无人艇进行协同作业的研究便得到了大多数学者和研究机构的关注，其中最主要的就是多无人艇协同编队。多无人艇协同编队是指使多个无人艇保持期望队形，以完成由单个无人艇无法完成的一些复杂任务。多无人艇协同编队可以有效的减少系统消耗，提升作业效率，并且不会因为单一无人艇的失效而导致无法作业。

目前多无人艇协同编队方法，如领航员模式编队控制方法、虚拟结构编队控制方法等都极大的依赖编队中的单一个体，如果在编队行进过程中，存在单一个体失效将极大的影响编队的控制，也就会限制编队作业任务的完成。同时，现有编队控制模式无法满足某些临时任务需求及突发事件的处置，例如在编队过程中，突发需要分离部分编队成员进行特殊任务处理以协同高效完成任务，又如在编队巡逻任务场景下中，突发对抗目标入侵编队需紧急分割编队进行规避的。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种可变领航员模式的多无人艇协同编队方法，增加了一种可变领航员模式，建立指派问题模型分配队形，引入总路径与总时间目标函数，从而达到在队形变换中总路径与总时间目标函数最优，并构建全联通图，从而达到紧急变换队形过程中变换领航员，保证编队高效安全航行。

本发明解决技术的方案是：

一种可变领航员模式的多无人艇协同编队方法，该方法的步骤包括：

步骤S10，进行队形分配：在已经获取到队形参数后，在当前位置环境下，以指派问题作为队形分配的数学模型，以队形分配所需航行总路径代价和总时间代价建立目标函数，采用匈牙利寻优算法，确定最佳分配方式；

步骤S20，构建全连通图；

步骤S30，确定领航员：在全连通图中，对个体成员进行迭代回溯获得其根成员；

步骤S40,根据无人艇运动学模型及队形关系，建立无人艇编队运动学模型；

步骤S50，编队运动决策：根据无人艇环境感知信息、最短会遇距离及最短会遇时间，判断选择保持队形航行还是变换队形航行，如果最短会遇距离及最短会遇时间超出设定阈值，则进行对形变换，否则保持队形；

步骤S60，确定无人艇控制量：根据无人艇编队运动学模型，采用自适应PID控制算法，确定跟随无人艇速度和航向；

步骤S70，判断编队任务是否完成，若任务完成则结束该过程，若没有完成则返回步骤S50，直至编队任务完成为止。

进一步的，步骤S20中，构建全连通图方法为：将队形中个成员在队形行进方向上投影，对投影点采用距离聚类方法进行分类，所分类型即为层数，相同类型位于同一层，最后对层与层之间成员进行全连通获得全连通图。

进一步的，步骤S40中，无人艇运动学模型为