一种无人艇集群编队环航控制方法、系统、存储介质及电子设备与流程

本发明属于无人艇导航控制，尤其涉及一种无人艇集群编队环航控制方法、系统、存储介质及电子设备。

背景技术：

1、随着现代化社会的快速发展，智能体编队在军事、航空领域都呈现出了巨大的应用发展前景,多智能体编队也逐渐成为了自动控制领域的研发热门。无人机编队控制是多智能体系统自主协同控制的重要部分，无人机编队从初始位置出发，采用一定的控制算法，通过无人机之间的信息交流，实现各自的状态更新，然后逐渐移动形成期望的编队队形，进而提高系统对环境的感知能力。

2、现有技术中，reynolds2等研究人员通过观察自然界中鸟群的迁移现象，总结出了boid模型，并且将自然界中的集群现象概括为三种基本行为，即碰撞，速度匹配和中心点积聚。benjacob等研究人员分析了boid模型中的速度匹配行为，发现处于集群中的个体经过一段时间的运动后，速度和大小和方向会趋向于稳定的一致状态。海军航空大学吴立尧等根据基本的领航者跟随的算法，设计出具备动态反馈自适应的编队控制器。并且在最近几年，很多研究人员考虑将路径规划算法和编队控制算法相结合，以用来适应现代的智能战争。然而实际使用过程中，海洋环境对无人艇的航行影响巨大，例如洋流等会直接影响无人艇的航速和航向，现有的编队控制算法并没有将其考虑到无人艇的控制中，因此会导致较大的航行偏差。

3、因此，亟需一种无人艇的编队控制技术，能够解决上述技术问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出一种无人艇集群编队环航控制方法的技术方案，以解决上述技术问题。

2、本发明第一方面公开了一种无人艇集群编队环航控制方法，所述方法包括：

3、步骤s1、建立目标无人艇运动模型以及跟随艇的运动学模型；

4、步骤s2、构建目标无人艇以及跟随艇的相对参数模型；

5、步骤s3、根据所述相对参数模型构建环航控制器；

6、步骤s4、采用所述环航控制器对目标无人艇以及跟随艇的集群编队环航控制。

7、根据本发明第一方面的方法，在所述步骤s1中，目标无人艇运动模型如下所示：

8、

9、

10、

11、其中：xt,yt为目标无人艇的位置坐标，为目标无人艇北向坐标系的目标偏航角；ut,vt,rt分别表示随体坐标系内相对于洋流和横摆角速度的纵荡、横荡、角速度；vxt,vyt代表作用在目标上的洋流速度。

12、根据本发明第一方面的方法，在所述步骤s1中，跟随艇的运动学模型如下所示：

13、

14、

15、

16、其中：x,y为跟随艇的位置坐标，表示跟随艇的北向坐标系的偏航角；u、v、r分别表示随体坐标系相对于洋流和横摆角速度的纵荡、横摇、角速度；vx,vy表示作用在跟随艇的洋流速度。

17、根据本发明第一方面的方法，在所述步骤s2中，目标无人艇以及跟随艇的相对参数模型具体包括：

18、目标无人艇与跟随艇之间的相对距离和包围角：

19、

20、其中：ρ为目标无人艇与跟随艇之间的相对距离；η表示跟随艇纵荡速度矢量与垂直于连接两者之间连线的矢量之间的夹角；β＝atan2(yt-y,xt-x)，是目标无人艇和跟随艇之间的相对角度：

21、

22、跟随艇的相对速度计算过程如下：

23、

24、其中：us和vs分别表示跟随艇在纵荡方向和横摇方向上的相对速度；是未测量动态；θ是相对速度矢量的角度，包含目标运动和流速的信息；vxr是海流速度在固定坐标系x轴上的分量；vxt是无人艇速度在固定坐标系x轴上的分量；vyr是海流速度在固定坐标系y轴上的分量；vyt是无人艇速度在固定坐标系y轴上的分量；uv是无人艇纵向速度在横摇方向上的分量；uc是海流在艇体纵轴上的速度分量；vv是无人艇横向速度在横摇方向上的分量；vc是还留在艇体横轴上的速度分量；ut是无人艇速度在纵荡方向上的分量

25、在跟随者的纵荡速度为正，且高于目标无人艇的总速度和相对洋流速度，即：

26、

27、则，us为负，u为正；

28、定义两个跟踪误差ρe＝ρ-ρd和ηe＝η-ηd；

29、运动跟踪误差的动力学方程表示为：

30、

31、其中ρd是一个恒定范围，ηd是所需角度。

32、根据本发明第一方面的方法，在所述步骤s3中，环航控制器的控制目标使得：

33、

34、其中，ε1和ε2是小常数。

35、根据本发明第一方面的方法，在步骤3中，构建环航控制器之前构建洋流估计器，具体为：

36、定义目标无人艇和跟随艇在北向坐标系的相对位置：xr＝xt-x,yr＝yt-y；将xr和yr的时间导数沿目标无人艇运动模型和跟随艇运动模型计算得出：

37、

38、其中:

39、有引入海流影响的状态估计器如下:

40、

41、其中，是正参数。

42、定义：和根据上述公式计算得出：

43、

44、然后，基于估计的相对海流速度设计环航控制器。

45、根据本发明第一方面的方法，环航控制器的设计方法具体为：

46、使用估算值和来稳定ρe和ηe：

47、

48、目标环航误差动态可表示为：

49、

50、其中，u为跟随无人艇的总速度；

51、设计基于跟随无人艇的随体坐标系下的扩张状态估计器，用于估计速度分量us,vs和未测量动态

52、

53、其中：ρu,ρv分别表示目标与跟随在纵荡方向和横摇方向的距离；

54、取ρu,ρv和η的导数，得出:

55、

56、在扩展状态估计器的基础上构造估计量来估计us,vs和如下：

57、

58、式中：和是设计的正定参数；

59、让和该方法的误差动态为和表示为：

60、

61、然后处理估计us的奇异性：定义其中ε是正常数；

62、目标动态误差的重写为：

63、

64、其中，

65、由于ut,vt和ψt不可用，使用估算项和代替；提出如下环航控制器：

66、

67、其中为控制增益，

68、本发明第二方面公开了一种用于无人艇集群编队环航控制系统，所述系统包括：

69、第一处理模块，被配置为，建立目标无人艇运动模型以及跟随艇的运动学模型；

70、第二处理模块，被配置为，构建目标无人艇以及跟随艇的相对参数模型；

71、第三处理模块，被配置为，根据所述相对参数模型构建环航控制器；

72、第四处理模块，被配置为，采用所述环航控制器对目标无人艇以及跟随艇的集群编队环航控制。

73、本发明第三方面公开了一种电子设备。电子设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时，实现本公开第一方面中任一项的一种无人艇集群编队环航控制方法中的步骤。

74、本发明第四方面公开了一种计算机可读存储介质。计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现本公开第一方面中任一项的一种无人艇集群编队环航控制方法中的步骤。

75、可见，本发明提出的方案，为了实现无人艇的目标环航，提出了一种基于恒定海流估计器和视线导引律的艏摇角速度控制器。然后，我们考虑了目标速度信息不可用且海流是时变的情况。设计了一种基于扩张状态估计器的目标环绕控制器，用于同时估计相对动力学和时变流速。

76、综上，本发明提出的方案能够在满足成员间的避碰要求的前提下，跟随艇能够以时变队形模式围绕着目标无人艇以旋转轮流开路的方式行进，避免了洋流的影响造成的移动误差，提高了航行准确度。

技术特征：

1.一种无人艇集群编队环航控制方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的一种无人艇集群编队环航控制方法，其特征在于，在所述步骤s1中，目标无人艇运动模型如下所示：

3.根据权利要求2所述的一种无人艇集群编队环航控制方法，其特征在于，在所述步骤s1中，跟随艇的运动学模型如下所示：

4.根据权利要求3所述的一种无人艇集群编队环航控制方法，其特征在于，在所述步骤s2中，目标无人艇以及跟随艇的相对参数模型具体包括：

5.根据权利要求4所述的一种无人艇集群编队环航控制方法，其特征在于，在所述步骤s3中，环航控制器的控制目标使得：

6.根据权利要求5所述的一种无人艇集群编队环航控制方法，其特征在于，在步骤3中，构建环航控制器之前构建洋流估计器，具体为：

7.根据权利要求6所述的一种无人艇集群编队环航控制方法，其特征在于，环航控制器的设计方法具体为：

8.一种用于无人艇集群编队环航控制系统，其特征在于，所述系统包括：

9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现权利要求1至7中任一项所述的一种无人艇集群编队环航控制方法中的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1至7中任一项所述的一种无人艇集群编队环航控制方法中的步骤。

技术总结
本发明提供一种无人艇集群编队环航控制方法、系统、存储介质及电子设备。其中，方法包括：步骤S1、建立目标无人艇运动模型以及跟随艇的运动学模型；步骤S2、构建目标无人艇以及跟随艇的相对参数模型；步骤S3、根据所述相对参数模型构建环航控制器；步骤S4、采用所述环航控制器对目标无人艇以及跟随艇的集群编队环航控制。本发明具有如下有益效果：采用本发明提出的方案能够在满足成员间的避碰要求的前提下，跟随艇能够以时变队形模式围绕着目标无人艇以旋转轮流开路的方式行进，避免了洋流的影响造成的移动误差，提高了航行准确度。

技术研发人员：曾江峰,陈卓,韩玮,金哲毅,郑贺存,温利鑫,胥凤驰,刘睿琳,袁鑫,赵一林,唐平鹏,李宁
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司系统工程研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23