CN107168341A - 面向溢油围捕的柔性连接式双无人艇自主协同方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向溢油围捕的柔性连接式双无人艇自主协同方法，(1)根据溢油所在位置、无人艇初始位置与柔性连接式无人艇的动力学特性，规划出一条满足多个约束条件的航行轨迹；(2)对得到的航行轨迹进行轨迹跟踪；(3)在进行轨迹跟踪过程中，为确保双无人艇能够完成任务，并减小柔性连接作用力和力矩的不利影响，采用基于模糊零空间的行为融合方法，根据所述柔性连接作用力和力矩的影响、实时地修正无人艇的期望艏向与航速；(4)无人艇的运动控制器解算出控制指令，驱使无人艇的实际艏向与航速达到期望值。本发明利用模糊零空间方法有效消除柔性连接作用力和力矩产生的不利影响，实现了柔性连接式双无人艇的自主协同控制。

Description

面向溢油围捕的柔性连接式双无人艇自主协同方法

技术领域

本发明涉及一种面向溢油围捕的柔性连接式双无人艇自主协同方法，属于无人航行器的协同控制领域。

背景技术

近年来，在近海岸区域接卸油作业中发生的溢油事故呈上升趋势，对环境造成了灾难性影响和重大经济损失。溢油长时间漂浮在海面上，会极大威胁到海洋生态安全。国际油轮污染治理联盟通常使用两艘有人船携带围油栏来清理溢油，但这种传统的溢油回收作业方式人工操作难度大、准备时间长、经济性差，而且溢油挥发出的气体对人体有害，因而考虑采用无人艇执行溢油回收工作。

专利号：201310695162.7，名称为“一种无人水上收油艇”，提供了一种无人水上收油艇。该无人艇除了具有传统溢油回收艇的功能以外，还可以实现人工远程遥控作业、半自动以及全自动回收作业，可以避免溢油对于人体造成的伤害，降低回收难度。但仅仅涉及到单无人艇的收油控制，无法进行多个无人艇的协同收油作业，回收效率较低。

专利号201610121184.6，名称为蚁群式动态溢油回收系统及其溢油回收方法，提供了一种多个无人艇协同作业的溢油回收无人艇系统及溢油回收方法。所属无人艇溢油回收系统，利用子母船携带无人艇前往溢油区域，通过子母船对溢油的情况进行总体监测，之后根据溢油分布情况将回收任务分配给各无人艇组，无人艇组在主艇的带领下，采用弹性栅格法进行环境建模，将环境分成许多小区域，并利用dijkstra算法实现最优路径的选取，完成航迹规划。所述方法只是将无人艇组中各艇航行视作单独个体的运动，归根结底还是单无人艇溢油回收，不仅没有对无人艇之间的自主协同行为进行融合控制，而且没有考虑多无人艇之间存在的相互干扰，认为只需要依照预定的路径进行航行，即可完成溢油的回收。

实际上以围油栏等柔性连接方式连接双无人艇进行溢油回收的过程中，若双无人艇的位置与航行速度处于不同状态，所述的柔性连接会对无人艇产生不同的力和力矩作用，无人艇难以依照预定的航行轨迹航行，特别是对无人艇的艏向产生显著影响。

文献“Fully Automatic Boom Towing by Unmanned Ships:ExperimentalStudy”中，Jimenez和Giron-Sierria等人通过水池实验得出双无人艇携带的围油栏等柔性连接在水面运动时，受到的流体阻力较大，对欠驱动无人艇的航态有不可忽视的影响。无人艇的艏向虽然一直在变化，以试图修正双无人艇间的间距，然而无人艇的欠驱动特性导致了双无人艇间的横向距离修正会有时滞性，进而导致双无人艇间的横向距离与艏向偏差越来越大，从而产生“拖曳分离”现象，双无人艇之间的横向距离将会随着时间累积不断增大，最终导致双无人艇的协同控制失效，无法完成围捕溢油任务。

发明内容

本发明针对单个收油艇回收溢油效率低下，而双无人艇在围油栏等柔性连接的力和力矩作用下，存在双无人艇之间的横向距离有时会不断增大，导致溢油围捕失败的问题，提供了一种面向溢油围捕的柔性连接式双无人艇自主协同方法。

本发明的目的是这样实现的：第一步：利用惯导以及GPS获得双无人艇当前位姿状态；

第二步：双无人艇判断是否需要对溢油进行围捕：若需要进行围捕，则探测溢油位置以及溢油面积；若不需要进行围捕，则获取目的地的位置；

第三步：根据双无人艇是向溢油位置前进或向目的地位置前进以及双无人艇完成任务时的位姿约束条件，规划无人艇的航迹，并利用遗传算法选择适应度函数的值最高的航迹；

第四步：双无人艇获得规划出的最优航迹，对所述的航迹进行航迹跟踪；

第五步：使用基于模糊零空间的行为融合方法修正无人艇的航态，得到双无人艇的期望的艏向与航速；

第六步：利用无人艇的运动控制器对无人艇进行运动控制，驱使无人艇达到期望的艏向与航速；

第七步：判断是否已经到达目的地：若双无人艇未到达目的地，将重新获取双无人艇当前位姿，继续进行第二步；若双无人艇已经到达目的地，表示溢油围捕的整个过程顺利完成。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.第五步中的基于模糊零空间的行为融合方法具体为：

首先，控制器更新双无人艇的位置艏向，判断双无人艇是否到达目的地：若双无人艇已经到达目的地，则跳出行为融合过程；若双无人艇未到达目的地，则判断双无人艇是否接近溢油位置：若双无人艇与溢油位置之间的距离减小到给定的阈值，则修改双无人艇的期望间距；若距离溢油位置在所述给定的阈值范围外，则判断双无人艇之间的间距是否满足溢油围捕行为的要求：若满足要求，控制器只对队形保持行为和轨迹跟踪行为进行行为融合；若双无人艇之间的间距不满足要求，则控制器对溢油围捕行为，队形保持行为和轨迹跟踪行为三个行为进行行为融合；

然后，控制器判断双无人艇的纵向偏差是否满足要求：若满足要求，则直接输出行为融合后的期望艏向与速度；若不满足要求，则加入速度动态调整行为进行行为融合，再输出行为融合后的期望艏向与速度；

得到输出的期望艏向与速度后，判断双无人艇的队形是否稳定：若队形稳定，控制器直接输出双无人艇的期望艏向和速度，否则控制重新获取双无人艇的位置和艏向，再次进行行为融合，直到双无人艇的队形达到稳定状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.所述回收方法针对采用柔性连接的双无人艇在溢油回收过程中的独特围捕溢油行为，考虑了围油栏等柔性连接产生的力和力矩作用对无人艇运动带来的影响。2.在考虑柔性连接的力和力矩产生影响的情况下，采用基于模糊零空间的行为融合方法，修正多个行为融合后输出的期望航速及艏向，有效减弱了柔性连接的力和力矩给无人艇运动带来的不利影响，使力矩平稳变化，保持了双无人艇运动的一致性，以成功围捕溢油。

附图说明

图1为本发明柔性连接双无人艇围捕溢油方法的总体流程示意图。

图2为本发明双无人艇之间横向和纵向偏差的定义示意图。

图3为本发明基于模糊零空间的行为融合方法的流程示意图。

图4为本发明横向距离保持行为决策的流程示意图。

图5为本发明纵向距离保持行为决策的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明的溢油围捕的流程如图1所述，首先利用惯导以及GPS等传感器获得双无人艇当前位姿状态，双无人艇判断是否需要对溢油进行围捕。若需要进行围捕，表明双无人艇还没有完成围捕溢油的工作，此时，探测溢油位置以及溢油面积；若不需要进行围捕，表明双无人艇已经对溢油围捕完成，正利用围油栏等柔性连接携带溢油向目的地前进，此时，获取目的地的位置。下一步，根据双无人艇是向溢油位置前进或向目的地位置前进，以及双无人艇完成任务时的位姿约束条件，规划无人艇的航迹，并利用遗传算法选择适应度函数的值最高的航迹。下一步，双无人艇获得规划出的最优航迹，对所述的航迹进行航迹跟踪。下一步，使用基于模糊零空间的行为融合方法修正无人艇的航态，利用零空间方法进行行为融合的详细流程在图3中阐述。下一步，利用无人艇的运动控制器对无人艇进行运动控制，驱使无人艇达到期望的艏向与航速。下一步，双无人艇判断是否已经到达目的地，若双无人艇未到达目的地，将重新获取双无人艇当前位姿；若双无人艇已经到达目的地，表示溢油围捕的整个过程顺利完成

结合图3，所述双无人艇的行为融合流程具体包括：首先，控制器更新双无人艇的位置艏向，判断双无人艇是否到达目的地：若双无人艇已经到达目的地，则跳出行为融合过程；若双无人艇未到达目的地，则判断双无人艇是否接近溢油位置：若双无人艇与溢油位置之间的距离减小到一定阈值，则修改双无人艇的期望间距；若距离溢油位置在所述的阈值范围外，则判断双无人艇之间的间距是否满足溢油围捕行为的要求：若满足要求，控制器只对队形保持行为和轨迹跟踪行为进行行为融合；若双无人艇之间的间距不满足要求，则控制器对溢油围捕行为，队形保持行为和轨迹跟踪行为三个行为进行行为融合。下一步，控制器判断双无人艇的纵向偏差是否满足要求：若满足要求，则直接输出行为融合后的期望艏向与速度；若不满足要求，则加入速度动态调整行为进行行为融合，再输出行为融合后的期望艏向与速度。得到输出的期望艏向与速度后，判断双无人艇的队形是否稳定：若队形稳定，控制器直接输出双无人艇的期望艏向和速度，否则控制重新获取双无人艇的位置和艏向，再次进行行为融合，直到双无人艇的队形达到稳定状态。

本发明的主要原理是：(1)根据溢油所在位置、无人艇初始位置与具有柔性连接的无人艇的运动特性，规划出一条满足多个约束条件的航行轨迹；(2)双无人艇为了完成围捕溢油任务，要同时以特定位姿接近溢油处，即对步骤(1)得到的航行轨迹进行轨迹跟踪；(3)在步骤(2)进行轨迹跟踪过程中，为确保双无人艇能够完成任务，减小柔性连接作用力和力矩的不利影响，采用基于模糊零空间的行为融合方法，根据柔性连接作用力和力矩影响、实时地修正无人艇的期望艏向与航速；(4)无人艇的运动控制器解算出控制指令，驱使无人艇的实际艏向与航速达到期望值。将模糊控制思想应用到基于零空间的行为融合中，使双无人艇能在柔性连接作用力和力矩的影响下保持双无人艇队形稳定。步骤(3)中基于模糊零空间的行为融合方法涉及到双无人艇间的互相配合与协调问题。溢油围捕的过程中，无人艇行为包括：轨迹跟踪、队形保持、溢油围捕和航速动态调整。在溢油围捕过程中，给定行为的优先级从高到低为：溢油围捕行为、队形保持行为、轨迹跟踪行为、航速动态调整行为。

下面结合附1至图5对本发明的具体实施方案做进一步说明。围捕溢油的过程包括：

进行溢油回收过程的航迹规划，根据海流方向推算出的溢油位置和面积、系统的初始位置及到达位置确定无人艇的航迹。

对步骤(1)中得到的航行轨迹进行轨迹跟踪；

基于零空间进行行为融合，设计双无人艇完成围捕溢油任务的具体行为及行为优先级。

步骤(3)为本发明的核心，设计一种基于模糊零空间的行为融合方法，通过分析双无人艇在执行溢油围捕任务中的具体行为，获得双无人艇在需要同时执行多个行为情况下的应对措施，以此得到行为融合后的期望艏向及航速。首先利用力传感器获得柔性连接在无人艇航行过程中产生的作用力，根据此作用力分析其对无人艇航行状态的具体影响。然后将模糊控制的思想应用到行为融合方法中，使用基于模糊零空间的行为融合方法修正多个行为融合后输出的期望航速及艏向。双无人艇能够保持航行状态一致，以成功围捕溢油。

步骤(3)所述的基于零空间的行为融合方法，首先通过力传感器获得柔性连接对于无人艇产生的拉力F_A、F_B，进而可求得左、右无人艇受到浮缆的拖曳力矩为：

其中，l_l、l_r分别为左、右无人艇的艇体长度，这里无人艇重心在艇体的几何重心上。

所述的双无人艇的围捕溢油行为涉及到无人艇间的互相配合与协调，根据围捕溢油的流程，将无人艇的行为归纳为：轨迹跟踪、保持队形、溢油围捕和速度动态调整。

所述的无人艇协同控制的意义是：如图2所示，设定无人艇间的纵向偏差ship_V，无人艇间的横向偏差ship_P。通过减小双无人艇间的纵向偏差ship_V，使柔性连接的双无人艇能够保持齐头并进的状态，因为若ship_V的值过大，在进行围捕溢油行为时会导致围捕失败。

设定双无人艇系统的实时队形中心p_c＝(x_c,y_c)^T，队形中心的初始位置p_c0＝(x_c0,y_c0)^T，初始艏向约束双无人艇要航行到的目标点位置为p_g＝(x_g,y_g)^T，艏向约束设定双无人艇分别为左艇与右艇(L艇、R艇)，它们的位置为p_l＝(x_l,y_l)^T、p_r＝(x_r,y_r)^T，艏向分别为

根据溢油围捕的步骤，所述的行为优先级从高到低为：溢油围捕行为、保持队形行为、轨迹跟踪行为和速度动态调整行为。

首先在不考虑速度动态调整行为的情况下，无人艇对目标点的行驶轨迹进行跟踪的同时保持队形。将保持队形行为与轨迹跟踪行为融合，即求：v_R,c＝v_R+(I-J_r ^T(J_rJ_r ^T)^-1)v_c，得到：

可得出若轨迹跟踪行为能够精确完成，则不需要启动保持队形行为和速度动态调整行为对双无人艇的位置进行调整。其中，

d_l ²＝(x_l-x_c)²+(y_l-y_c)²、d_r＝(x_r-x_c)²+(y_r-y_c)²；

为了防止无人艇航行速度过大，超过轨迹跟踪目标点的行驶速度，令为系统航行速度，其中D为队形中心到目标点的距离，有ω为待设定的速度影响因子，根据行为控制决策输出的速度大小设定。

输出速度为在大地坐标系中左、右无人艇的速度，再转换成无人艇的合速度(u_l,u_r)^T与无人艇艏向角而后利用运动控制器解算出控制指令，使无人艇的实际艏向与航速达到期望值。具体的算法流程图如图3所示。

目前所述的方法为线性行为控制，若直接应用到双无人艇，不能很好的抑制时变柔性连接的力矩带来的影响，双无人艇会在柔性连接的力矩影响下产生拖曳分离现象后艏向角不停震荡。

因此加入模糊控制的思想，得到一种模糊零空间行为融合方法。

所述的模糊零空间行为融合方法在保持双无人艇的横向距离时，包括两组输入：第一组输入系统期望横向距离与双无人艇实际的横向距离偏差和横向距离偏差变化率；第二组输入为左、右双无人艇的实际艏向角与零空间控制决策方法输出期望艏向角的偏差与偏差变化率。以上的输入量均需根据实际情况进行归一化处理，转换成-6～6间对应的数值。将横向距离模糊控制器的输出修正艏向角要分别与零空间综合编队任务输出的期望艏向角累加，得到左、右无人艇的期望艏向，如图4所示，其中K₁,K₂,...,K₈将每个输入量进行比例变换，符合模糊控制器输入范围；K₉,K₁₀,K₁₁,K₁₂为输出量增益。

同样，在保持纵向距离行为控制中，如图5所示，同样包括两组输入，第一组输入为双无人艇的纵向距离与纵向距离偏差变化率；第二组输入的速度偏差为左、右无人艇实际航行速度的偏差与速度偏差变化率。同样进行归一化处理后加到模糊行为控制器的输入端，控制器输出的修正速度与零空间控制决策中速度的累加，得到期望速度。

横向距离与纵向距离的行为控制器均采用高斯函数作为使输入量模糊化的方法，高斯函数法能够很好的抵抗不能被事先预测的浮缆力矩，形状类似正态分布曲线。对应的模糊规则表为：

根据模糊规则表输出的模糊集合NB,NM,...PB，解模糊成对应的精确输出量，使用面积平均法作为解模糊方法:

设y^*为模糊输出量经过面积平均法解模糊后得到的精确量，模糊输出量的结果中包括了N个模糊集合，y_i ^*表示第i个模糊集合总面积平分线在坐标轴上的值，μⁱ _max(y)为对应在第i个模糊集合隶属度曲线上的值，则y^*的数学表达式为:其对应的精确量即为模糊行为控制器输出的修正艏向角及修正速度。

Claims (2)

1.面向溢油围捕的柔性连接式双无人艇自主协同方法，其特征在于：步骤如下：

第一步：利用惯导以及GPS获得双无人艇当前位姿状态；

第二步：双无人艇判断是否需要对溢油进行围捕：若需要进行围捕，则探测溢油位置以及溢油面积；若不需要进行围捕，则获取目的地的位置；

第三步：根据双无人艇是向溢油位置前进或向目的地位置前进以及双无人艇完成任务时的位姿约束条件，规划无人艇的航迹，并利用遗传算法选择适应度函数的值最高的航迹；

第四步：双无人艇获得规划出的最优航迹，对所述的航迹进行航迹跟踪；

第五步：使用基于模糊零空间的行为融合方法修正无人艇的航态，得到双无人艇的期望的艏向与航速；

第六步：利用无人艇的运动控制器对无人艇进行运动控制，驱使无人艇达到期望的艏向与航速；

第七步：判断是否已经到达目的地：若双无人艇未到达目的地，将重新获取双无人艇当前位姿，继续进行第二步；若双无人艇已经到达目的地，表示溢油围捕的整个过程顺利完成。

2.根据权利要求1所述的面向溢油围捕的柔性连接式双无人艇自主协同方法，其特征在于：第五步中的基于模糊零空间的行为融合方法具体为：

首先，控制器更新双无人艇的位置艏向，判断双无人艇是否到达目的地：若双无人艇已经到达目的地，则跳出行为融合过程；若双无人艇未到达目的地，则判断双无人艇是否接近溢油位置：若双无人艇与溢油位置之间的距离减小到给定的阈值，则修改双无人艇的期望间距；若距离溢油位置在所述给定的阈值范围外，则判断双无人艇之间的间距是否满足溢油围捕行为的要求：若满足要求，控制器只对队形保持行为和轨迹跟踪行为进行行为融合；若双无人艇之间的间距不满足要求，则控制器对溢油围捕行为，队形保持行为和轨迹跟踪行为三个行为进行行为融合；

然后，控制器判断双无人艇的纵向偏差是否满足要求：若满足要求，则直接输出行为融合后的期望艏向与速度；若不满足要求，则加入速度动态调整行为进行行为融合，再输出行为融合后的期望艏向与速度；

得到输出的期望艏向与速度后，判断双无人艇的队形是否稳定：若队形稳定，控制器直接输出双无人艇的期望艏向和速度，否则控制重新获取双无人艇的位置和艏向，再次进行行为融合，直到双无人艇的队形达到稳定状态。