CN110333723B - 一种基于双通信设备的无人艇协同编队方法 - Google Patents

一种基于双通信设备的无人艇协同编队方法 Download PDF

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Abstract

一种基于双通信设备的无人艇协同编队方法，包括以下步骤：S1，将无人艇所在的水面区域当成二维平面，建立固定坐标系XOY和领导艇坐标系xoy；S2，设定跟随艇在领导艇坐标系下的目标位置和基于双通信设备计算跟随艇在领导艇坐标系下相对于领导艇的当前位置；S3，控制跟随艇的航行方向和航行速度；S4，判断跟随艇是否到达在领导艇坐标系下的目标位置以及领导艇是否停止运动，若否则继续执行步骤S2，若是则结束，完成无人艇协同编队。本发明跟随艇能够自主与领导艇形成设定的编队，可智能控制无人艇，具有安全、稳定、可靠的优点。

Description

一种基于双通信设备的无人艇协同编队方法
技术领域
本发明属于无人艇控制技术领域，具体的说是一种基于双通信设备的领导艇-跟随艇形式下的协同编队方法。
背景技术
无人艇是一种具有自主规划、自主航行能力，并可自主完成环境感知、目标探测等任务的小型水面平台，可承担情报搜集、监视侦察、扫雷、反潜、精确打击、搜捕、水文地理勘察、反恐、中继通信等功能。无人艇根据使命的不同，可采用多种不同的模块，搭载不同的传感器或执行设备，执行任务也显示出多样性。
然而在未来战争中仅靠单艘无人艇自主作战难以适应复杂的战场环境，而具备有协同策略的无人艇集群编队能更好的完成任务。因为多艘无人艇构成的无人艇集群能够减小整体航行的阻力，使无人艇集群能够在执行复杂任务、多任务和复杂环境下具有相对大的活动范围，更大的任务完成概率，以及更高的保障性。多艘无人艇协同作业，不仅克服了单艘无人艇在功能上的缺陷，而且能产生1加1大于2的效果。很大程度上，提高了作业效率和作业范围。因此，多无人艇协同作业是必然的趋势，在军民应用领域都有很好的应用前景。但是无人艇集群执行各种不同的任务时，不同队形不仅会影响该任务的执行效果，而且会对任务链中的下一个任务产生额外的作用。特别是在同一区域执行不同的任务时，及时的队形变换可以使无人艇安全性提高，还能提升任务的执行效率。其次，对于一些突发的、额外的事件，队形变换有时是必须的、重要的。然而各任务的队形优化以及各任务优化与任务整体优化的关系，对队形控制存在着不可忽略的影响。因此各种不同的任务对无人艇集群队形的影响成为不可忽略的关键问题之一。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种基于双通信设备的无人艇协同编队方法。
为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：
一种基于双通信设备的无人艇协同编队方法，包括以下步骤：
S1，将无人艇所在的水面区域当成二维平面，建立固定坐标系XOY和领导艇坐标系xoy；
S2，设定跟随艇在领导艇坐标系下的目标位置和基于双通信设备计算跟随艇在领导艇坐标系下相对于领导艇的当前位置，领导艇上设有通信设备，跟随艇的头部和尾部各设一个通信设备形成双通信设备；
S3，控制跟随艇的航行方向和航行速度；
S4，判断跟随艇是否到达在领导艇坐标系下的目标位置以及领导艇是否停止运动，若否则继续执行步骤S2，若是则结束，完成无人艇协同编队。
所述领导艇坐标系的x轴平行于固定坐标系的X轴，领导艇坐标系的y轴平行于固定坐标系的Y轴，随领导艇坐标系的原点o为领导艇的中心。
所述步骤S2具体包括：
S201，将跟随艇在领导艇坐标系下的目标位置发送给相应的无人艇；
S202，基于双通信设备的协同定位计算跟随艇相对于领导艇的当前相对距离：
Figure BDA0002133521070000021
Figure BDA0002133521070000022
Figure BDA0002133521070000023
其中，L[i]为第i艘跟随艇相对于领导艇的当前相对距离，
Figure BDA0002133521070000024
为领导艇上的通信设备到跟随艇i上的头部和尾部的通信设备的距离，c为双通信设备的传播速度，
Figure BDA0002133521070000025
为跟随艇i上的头部和尾部的通信设备接收到领导艇的通信设备信号的时间，t0为领导艇的双通信设备发送信号的时间，d为无人艇的机身长度，c是指信号传播速度；
S203，基于双通信设备的协同定位计算跟随艇相对于领导艇的当前相对方位角：
Figure BDA0002133521070000031
其中，θ[i]为第i艘跟随艇相对于领导艇的当前相对方位角；
S204，获取跟随艇i的当前航向角，依据跟随艇相对于领导艇的当前相对距离、当前相对方位角和跟随艇的当前航向角计算跟随艇在领导艇坐标系下的当前位置坐标(x[i],y[i])。
所述步骤S3具体包括：
S301，计算当前时刻跟随艇i的当前位置到目标位置的距离以及期望航向：
Figure BDA0002133521070000032
Figure BDA0002133521070000033
其中，d[i]为跟随艇i当前位置到目标位置的距离，
Figure BDA0002133521070000034
为跟随艇i的期望航向，
Figure BDA0002133521070000035
为跟随艇i在领导艇坐标系下的目标位置，(x[i],y[i])为跟随艇i在领导艇下坐标系下的当前位置；
S302，设计模糊控制器控制跟随艇的航行方向，该模糊控制器的输入为航向误差e和偏航率r，输出为实际航行方向；
S303，基于跟随艇的当前位置和目标位置，设计速度控制器控制该跟随艇速度，速度控制器为
Figure BDA0002133521070000036
其中T为一个控制周期时间。
本发明跟随艇能够自主与领导艇形成设定的编队，可智能控制无人艇，具有安全、稳定、可靠的优点。
附图说明
附图1为本发明流程示意图；
附图2为本发明实施例中基于双通信设备的协同定位图；
附图3为本发明所设计控制跟随艇航行方向的模糊控制器。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本发明做进一步的描述。本发明提供的实施例，作为编队构建的参考性举例，仅用于更加详细地对本发明进行阐述，而不能解释为对本发明的限制，该具体示例紧紧作为一个普通示例，不能限制于该示例。本发明所公开的方法可提供许多不同的实施例，用来描述本发明中相应的结构、设置描述等，并且所对应的推广目的不在于限制本发明。此外，本发明中示例的数字或字母，仅为简化和表述清楚，可以引申为其余不同的示例中相对应的数字或者字母，不能以此为限制，其本身不代表所讨论实施例的本质或设置之间的关系。本发明所涉及示例中的各种工艺与材料为本领域普通技术人员常用的材料，采用的技术也是普通的技术手段。此外，本发明的描述中，除特别的注释，其术语均为广义理解。
如附图1-3所示，本发明揭示了一种基于双通信设备的无人艇协同编队方法，基于领导艇-跟随艇形式进行协同编队，具体包括以下步骤：
S1，将无人艇所在的水面区域当成二维平面，建立固定坐标系XOY和领导艇坐标系xoy；领导艇坐标系的x轴平行于固定坐标系的X轴，领导艇坐标系的y轴平行于固定坐标系的Y轴，随领导艇坐标系的原点o为领导艇的中心。
S2，设定跟随艇在领导艇坐标系下的目标位置和基于双通信设备计算跟随艇在领导艇坐标系下相对于领导艇的当前位置，领导艇上设有通信设备，跟随艇的头部和尾部各设一个通信设备形成双通信设备。
S3，控制跟随艇的航行方向和航行速度。
S4，判断跟随艇是否到达在领导艇坐标系下的目标位置以及领导艇是否停止运动，若否则继续执行步骤S2，若是则结束，完成无人艇协同编队。即当同时满足领导艇停止运动，及跟随艇已经到达在领导艇坐标系下的目标位置时，才视为完成协同编队。
所述步骤S2具体包括：
S201，将跟随艇在领导艇坐标系下的目标位置发送给相应的无人艇。
S202，基于双通信设备的协同定位计算跟随艇相对于领导艇的当前相对距离：
Figure BDA0002133521070000041
Figure BDA0002133521070000042
Figure BDA0002133521070000051
其中，L[i]为第i艘跟随艇相对于领导艇的当前相对距离，
Figure BDA0002133521070000052
为领导艇上的通信设备到跟随艇i上的头部和尾部的通信设备的距离，c为双通信设备的传播速度，
Figure BDA0002133521070000053
为跟随艇i上的头部和尾部的通信设备接收到领导艇的通信设备信号的时间，t0为领导艇的双通信设备发送信号的时间，d为无人艇的机身长度，c是指信号传播速度。
S203，基于双通信设备的协同定位计算跟随艇相对于领导艇的当前相对方位角：
Figure BDA0002133521070000054
其中，θ[i]为第i艘跟随艇相对于领导艇的当前相对方位角；
S204，获取跟随艇i的当前航向角，依据跟随艇相对于领导艇的当前相对距离、当前相对方位角和跟随艇的当前航向角计算跟随艇在领导艇坐标系下的当前位置坐标(x[i],y[i])，|x[i]|＝L[i]cos(θ[i]-ψ[i])，|y[i]|＝L[i]sin(θ[i]-ψ[i])。
如附图2所示，
Figure BDA0002133521070000055
其中i＝1、2时分别为跟随艇1、2相对于领导艇的当前相对距离。
Figure BDA0002133521070000056
其中i＝1、2时分别为跟随艇1、2相对于领导艇的当前相对方位角。
根据跟随艇相对于领导艇的当前相对距离、当前相对方位角和当前航向角计算出跟随艇1、2在领导艇坐标系下的当前位置坐标分别为：(L[1]cos(θ[1]-ψ[1]),-L[i]sin(θ[1]-ψ[1]))、(L[2]cos(θ[2]-ψ[2]),-L[i]sin(θ[2]-ψ[2]))。
所述步骤S3具体包括：
S301，计算当前时刻跟随艇i的当前位置到目标位置的距离以及期望航向：
Figure BDA0002133521070000057
Figure BDA0002133521070000061
在利用上述公式计算期望航向时要注意跟随艇在领导艇坐标系下象限的判别，需要识别出在哪一个象限当中。
其中，d[i]为跟随艇i当前位置到目标位置的距离，
Figure BDA0002133521070000062
为跟随艇i的期望航向，
Figure BDA0002133521070000063
为跟随艇i在领导艇坐标系下的目标位置，(x[i],y[i])为跟随艇i在领导艇下坐标系下的当前位置。
S302，设计模糊控制器控制跟随艇的航行方向，该模糊控制器的输入为航向误差e和偏航率r，输出为实际航行方向；
S303，基于跟随艇的当前位置和目标位置，设计速度控制器控制该跟随艇速度，速度控制器为
Figure BDA0002133521070000064
其中T为一个控制周期时间。
Figure BDA0002133521070000065
其中i＝1、2时分别为跟随艇1、2当前位置到目标位置的距离。
Figure BDA0002133521070000066
其中i＝1、2时分别为跟随艇1、2的当前航向。
另外，如附图3所示，为模糊控制器，FG为模糊增益调节装置，FA为基本模糊控制器，Ke、Kr、Ky为基本模糊控制器的3个固定量化因子。模糊自校正控制器包括一个具有固定量化因子Ke、Kr、Ky的基本模糊控制器FA和三个模糊增益调节装置FG，三个模糊增益调节装置FG的输出也即比例因子ke、kr、ky用于乘在固定量化因子上，新获得的量化因子Keke、Krkr、Kyky是可调整的，量化因子值的优化与控制目标相匹配。
需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于双通信设备的无人艇协同编队方法，包括以下步骤：
S1，将无人艇所在的水面区域当成二维平面，建立固定坐标系XOY和领导艇坐标系xoy；
S2，设定跟随艇在领导艇坐标系下的目标位置和基于双通信设备计算跟随艇在领导艇坐标系下相对于领导艇的当前位置，领导艇上设有通信设备，跟随艇的头部和尾部各设一个通信设备形成双通信设备；
S3，控制跟随艇的航行方向和航行速度；
S4，判断跟随艇是否到达在领导艇坐标系下的目标位置以及领导艇是否停止运动，若否则继续执行步骤S2，若是则结束，完成无人艇协同编队；
所述步骤S2具体包括：
S201，将跟随艇在领导艇坐标系下的目标位置发送给相应的无人艇；
S202，基于双通信设备的协同定位计算跟随艇相对于领导艇的当前相对距离：
Figure FDA0003422715880000011
Figure FDA0003422715880000012
Figure FDA0003422715880000013
其中，L[i]为第i艘跟随艇相对于领导艇的当前相对距离，
Figure FDA0003422715880000014
Figure FDA0003422715880000015
为领导艇上的通信设备到跟随艇i上的头部和尾部的通信设备的距离，c为双通信设备的传播速度，
Figure FDA0003422715880000021
为跟随艇i上的头部和尾部的通信设备接收到领导艇的通信设备信号的时间，t0为领导艇的双通信设备发送信号的时间，d为无人艇的机身长度，c是指信号传播速度；
S203，基于双通信设备的协同定位计算跟随艇相对于领导艇的当前相对方位角：
Figure FDA0003422715880000022
其中，θ[i]为第i艘跟随艇相对于领导艇的当前相对方位角；
S204，获取跟随艇i的当前航向角，依据跟随艇相对于领导艇的当前相对距离、当前相对方位角和跟随艇的当前航向角计算跟随艇在领导艇坐标系下的当前位置坐标(x[i],y[i])，|x[i]|＝L[i]cos(θ[i]-ψ[i])，|y[i|＝L[i]sin(θ[i]-ψ[i])，其中ψ[i]为跟随艇i的当前航向角。
2.根据权利要求1所述的基于双通信设备的无人艇协同编队方法，其特征在于，所述领导艇坐标系的x轴平行于固定坐标系的X轴，领导艇坐标系的y轴平行于固定坐标系的Y轴，随领导艇坐标系的原点o为领导艇的中心。
3.根据权利要求2所述的基于双通信设备的无人艇协同编队方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
S301，计算当前时刻跟随艇i的当前位置到目标位置的距离以及期望航向：
Figure FDA0003422715880000023
Figure FDA0003422715880000031
其中，d[i]为跟随艇i当前位置到目标位置的距离，
Figure FDA0003422715880000032
为跟随艇i的期望航向，
Figure FDA0003422715880000033
为跟随艇i在领导艇坐标系下的目标位置，(x[i],y[i])为跟随艇i在领导艇下坐标系下的当前位置；
S302，设计模糊控制器控制跟随艇的航行方向，该模糊控制器的输入为航向误差e和偏航率r，输出为实际航行方向；
S303，基于跟随艇的当前位置和目标位置，设计速度控制器控制该跟随艇速度，速度控制器为
Figure FDA0003422715880000034
其中T为一个控制周期时间；
航向误差是期望航向和当前航向的差值。
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