CN112965497A - 一种船舶编队控制方法、装置及存储介质 - Google Patents

一种船舶编队控制方法、装置及存储介质 Download PDF

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CN112965497A CN202110199385.9A CN202110199385A CN112965497A CN 112965497 A CN112965497 A CN 112965497A CN 202110199385 A CN202110199385 A CN 202110199385A CN 112965497 A CN112965497 A CN 112965497A
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刘佳仑
游旭
马枫
李诗杰
谢玲利
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Abstract

本发明公开了一种船舶编队控制方法、装置及存储介质，涉及船舶编队领域。其中，船舶编队控制方法包括：建立编队中多个船舶的运动学模型，根据船舶的运动学模型确定船舶系统模型，采用领导者‑跟随者的编队方式根据船舶系统模型确定船舶的编队控制律以形成编队，当船舶编队结构变化则构造船舶的势场函数，根据构造的势场函数确定船舶的控制输入，构造李雅普诺夫函数以稳定船舶的控制输入。通过在船舶编队结构发生变化时构造船舶的势场函数，编队中的船舶根据势场函数能够对规避相邻船舶，避免船舶之间发生碰撞。

Description

一种船舶编队控制方法、装置及存储介质
技术领域
本发明涉及船舶编队领域，尤其涉及一种船舶编队控制方法、装置及存储介质。
背景技术
随着自动化技术的不断发展，出现了无人船来代替人工进行海上垃圾捕捞、海面探测等活动，船舶编队控制技术的出现使得这些无人穿的海上工作效率得到提高。但是，在船舶编队的控制上，需要考虑船舶具体的工作环境，例如，内河场景下的整体环境比海上环境更为复杂，传统的领导跟随法等无法解决船舶在编队航行时连续过弯的船舶内部避碰避障问题。特别是异构船舶，由于异构船舶个体运动特性的差异，导致的编队控制问题在内河航道中进一步被放大，船舶在过弯或者编队变化时容易发生内部碰撞。
发明内容
为了解决上述技术问题的至少之一，本发明提出一种船舶编队控制方法、装置及存储介质，能够避免船舶编队内部发生碰撞。
第一方面，本发明实施例提供了一种船舶编队控制方法，包括以下步骤：
建立多个船舶的运动学模型；
根据船舶的运动学模型确定船舶系统模型；
采用领导者-跟随者的编队方式根据船舶系统模型确定船舶的编队控制律；
当船舶编队结构变化构造船舶的势场函数；
根据所述势场函数确定船舶的控制输入；
构造李雅普诺夫函数以稳定船舶的控制输入。
在一些实施例中，所述船舶的运动学模型为：
Figure BDA0002947992110000011
Figure BDA0002947992110000012
其中，η＝[x,y,ψ]T，x表示在大地坐标系下船舶的纵向坐标，y表示在大地坐标系下船舶的横向坐标，ψ表示在大地坐标系下船舶的首向角；
Figure BDA0002947992110000013
表示船体坐标系转换为大地坐标系的转换过程；ν＝[u,v,r]T，u表示在船体坐标系下船舶的纵向速度，v表示在船体坐标系下船舶的横向速度，r表示在船体坐标系下船舶的首向速度；M为船舶的质量矩阵，D(v)表示船舶的阻尼矩阵，C(v)表示船舶的科氏力矩阵；τwind+τwave＝[τudt,τvdt,τrdt]T，τudt表示在船体坐标系下船舶在纵向方向受到的外部环境扰动，τvdt表示在船体坐标系下船舶在横向方向受到的外部环境扰动，τrdt表示在船体坐标系下船舶在首向角方向受到的外部环境扰动；τ表示船舶的控制力矩。
在一些实施例中，所述船舶系统模型表示为：
Figure BDA0002947992110000021
其中，p(t)∈R，q(t)∈R，u(t)∈R，p(t)表示在船体坐标系下船舶的位置，p＝[px,py]T，px＝x，py＝y；q(t)表示船体坐标系下船舶的速度，q＝[qx,qy]T，qx＝u，qy＝v；u(t)表示船舶的控制输入。
在一些实施例中，所述船舶的编队控制律表示为：
Figure BDA0002947992110000022
Figure BDA0002947992110000023
其中，pi表示第i条船舶的位置，pj表示第j条船舶的位置，rij表示第i条船舶与第j条船舶的期望相对距离，qi表示第i条船舶的速度，qj表示第j条船舶的速度。
在一些实施例中，所述船舶的编队控制律表示为：
Figure BDA0002947992110000024
Figure BDA0002947992110000025
其中，pi表示第i条船舶的位置，p0表示构造的虚拟船舶的位置，ri表示第i条船舶与虚拟船舶的期望相对距离，qi表示第i条船舶的速度，q0表示构造的虚拟船舶的速度。
在一些实施例中，构造的所述势场函数表示为：
Figure BDA0002947992110000031
其中，rij表示第i条船舶与第j条船舶之间的期望相对距离，d表示预先设定的两个相邻船舶之间的平衡距离，c1为增益系数。
在一些实施例中，所述船舶的控制输入表示为：
Figure BDA0002947992110000032
其中，λ为系数，λ>0；
Figure BDA0002947992110000033
为表示方向的单位向量；aij表示第i条船舶和第j条船舶之间是否存在邻接关系，若存在邻接关系则aij＝1，若没有存在邻接关系则aij＝0；
Figure BDA0002947992110000034
表示第i条船舶和虚拟领导者之间距离的导数，
Figure BDA0002947992110000035
表示第i条船舶和第j条船舶之间距离的导数。在一些实施例中，所述李雅普诺夫函数表示为：
Figure BDA0002947992110000036
其中，Uij(||rij||)表示第i条船舶的势场函数，
Figure BDA0002947992110000037
表示第i条船舶和虚拟领导者之间距离的导数。
第二方面，本发明实施例还提供了一种船舶编队控制装置，包括：
存储器，用于存放程序；
处理器，用于执行所述程序，以用于：
建立多个船舶的运动学模型；
根据船舶的运动学模型确定船舶系统模型；
采用领导者-跟随者的编队方式根据船舶系统模型确定船舶的编队控制律；
当船舶编队结构变化构造船舶的势场函数；
根据所述势场函数确定船舶的控制输入；
构造李雅普诺夫函数以稳定船舶的控制输入。
第三方面，本发明实施例还提供了一种计算机存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在由所述处理器执行时用于实现如上述第一方面实施例所述的船舶编队控制方法。。
本发明上述的技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：建立编队中多个船舶的运动学模型，根据船舶的运动学模型确定船舶系统模型，采用领导者-跟随者的编队方式根据船舶系统模型确定船舶的编队控制律以形成编队，当船舶编队结构变化则构造船舶的势场函数，根据构造的势场函数确定船舶的控制输入，构造李雅普诺夫函数以稳定船舶的控制输入。通过在船舶编队结构发生变化时构造船舶的势场函数，编队中的船舶根据势场函数能够对规避相邻船舶，避免船舶之间发生碰撞。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的船舶编队控制方法流程图。
具体实施方式
本申请实施例所描述的实施例不应视为对本申请的限制，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
在以下的描述中，涉及到“一些实施例”，其描述了所有可能实施例的子集，但是可以理解,“一些实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集，并且可以在不冲突的情况下相互结合。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。
现有的领导跟随法需要知道领导船的信息，如：位置信息，速度信息等，考虑实际航行情况，不一定能够实时获取到领导船的有效信息，其次考虑到实际航行过程中，当领导船完成航行任务后，其他船将失去领导船，无法继续形成编队。
本发明实施例提供一种船舶编队控制方法，船舶编队的控制方法应用于编队船舶，其中，编队中的船舶可以设置有船舶环境感知系统、通信系统、控制系统。编队中的每个船舶的环境感知系统能够采集本船和邻近船舶的各种运动数据，包含：gps位置，船舶速度，环境风速、流速、浪高等信息。每搜船舶的通信系统能够建立和其他船舶的通讯，控制系统能够对编队的各个船舶进行控制从而确保整体能够形成队形并保持。参照图1，本发明实施例的方法包括但不限于步骤S110、步骤S120、步骤S130、步骤S140、步骤S150和步骤S160。
步骤S110，建立多个船舶的运动学模型。
在一些实施例中，船舶的运动学模型为：
Figure BDA0002947992110000041
Figure BDA0002947992110000042
其中，η＝[x,y,ψ]T，x表示在大地坐标系下船舶的纵向坐标，y表示在大地坐标系下船舶的横向坐标，ψ表示在大地坐标系下船舶的首向角；
Figure BDA0002947992110000051
表示船体坐标系转换为大地坐标系的转换过程；ν＝[u,v,r]T，u表示在船体坐标系下船舶的纵向速度，v表示在船体坐标系下船舶的横向速度，r表示在船体坐标系下船舶的首向速度；M为船舶的质量矩阵，D(v)表示船舶的阻尼矩阵，C(v)表示船舶的科氏力矩阵，船舶的质量矩阵、阻尼矩阵以及科氏力矩阵为船舶本身的特性参数，需要通过实验和CFD计算求解。τwind+τwave＝[τudt,τvdt,τrdt]T，τudt表示在船体坐标系下船舶在纵向方向受到的外部环境扰动，τvdt表示在船体坐标系下船舶在横向方向受到的外部环境扰动，τrdt表示在船体坐标系下船舶在首向角方向受到的外部环境扰动；τ表示船舶的控制力矩。
步骤S120，根据船舶的运动学模型确定船舶系统模型。
在一些实施例中，船舶系统模型表示为：
Figure BDA0002947992110000052
其中，p(t)∈R，q(t)∈R，u(t)∈R，p(t)表示船舶的位置，q(t)表示船舶的速度。p＝[px,py]T，q＝[qx,qy]T，在不考虑船舶运动模型首向角方向的自由度，有px＝x，py＝y，qx＝u，qy＝v；u(t)表示船舶的控制输入。
步骤S130，采用领导者-跟随者的编队方式根据船舶系统模型确定船舶的编队控制律。
在一些实施例中，领导者-跟随者的编队方式有两种，一种是将编队中其中一条作为领导船，领导船最终给定最终的轨迹，跟随船追踪领导船。领导跟随法适应性强，能够简单实现，同时具备一定的适应性，基于此种编队方式的船舶的编队控制律表示为：
Figure BDA0002947992110000053
Figure BDA0002947992110000054
其中，pi表示第i条船舶的位置，pj表示第j条船舶的位置，rij表示第i条船舶与第j条船舶的期望相对距离，qi表示第i条船舶的速度，qj表示第j条船舶的速度。可将编队中第j条船舶作为领导船舶，第i条船舶为编队中的任意一条跟随船。
在一些实施例中，领导者-跟随者的另一种编队方式是虚拟领导跟随法，即领导船舶为虚拟船舶，各个跟随船舶能够易于实现基于同步时间的虚拟领导船舶的实时状态信息获取，从而保障和领导船之间的距离能够维持在稳定状态，而不会由于编队中其中一条领导船轨迹出现误差时，跟随船会随着领导船舶产生较大的不必要波动。基于虚拟领导跟随法的编队控制律为：
Figure BDA0002947992110000061
Figure BDA0002947992110000062
其中，pi表示第i条船舶的位置，p0表示构造的虚拟船舶的位置，ri表示第i条船舶与虚拟船舶的期望相对距离，qi表示第i条船舶的速度，q0表示构造的虚拟船舶的速度。
步骤S140，当船舶编队结构变化构造船舶的势场函数。
在一些实施例中，编队结构发生变化主要发生在编队船舶在河道过弯或者编队船舶避开障碍物或者有其他船舶插入编队或者编队中的一些船舶离开编队的过程，当编队结构发生变化时，船舶的运行轨迹不稳定，其中异构船舶的运行轨迹也难以同步，相邻船舶之间容易发生碰撞。为在编队结构发生变化时船舶之间碰撞，此时编队中的每艘船舶构造势场函数来控制船舶的运行，构造的势场函数为：
Figure BDA0002947992110000063
其中，Uij(||rij||)表示第i条船舶的势场函数，rij表示第i条船舶与第j条船舶之间的期望相对距离，d表示预先设定的两个相邻船舶之间的平衡距离，c1为增益系数。第j条船舶为领导船，第i条船舶为跟随船。
步骤S150，根据所述势场函数确定船舶的控制输入。
在一些实施例中，控制输入表示为：
Figure BDA0002947992110000064
其中，λ为系数，λ>0；
Figure BDA0002947992110000065
为表示方向的单位向量；aij表示第i条船舶和第j条船舶之间是否存在邻接关系，若存在邻接关系则aij＝1，若没有存在邻接关系则aij＝0；
Figure BDA0002947992110000066
Figure BDA0002947992110000071
步骤S160，构造李雅普诺夫函数以稳定船舶的控制输入。
Figure BDA0002947992110000072
其中，Uij(||rij||)表示第i条船舶的势场函数，
Figure BDA0002947992110000073
表示第i条船舶和虚拟领导者之间距离的导数。
具体地，将李雅普诺夫函数求导得：
Figure BDA0002947992110000074
利用Vi,
Figure BDA0002947992110000075
这两个正定函数和负定函数来保障船舶在编队结构变化的场景下，船舶的控制输入能根据这两个正定函数和负定函数限定的范围能够给出一个范围解，选取范围内的一个解即可保障整体编队的稳定性。
根据本发明一些具体实施例，编队中船舶之间通信的稳定性影响着编队航行的整体稳定性，因此引入图论用建立可变通信拓扑结构以解决编队的通信问题。具体地，当系统存在通信时变延时，用τji表示第j条船舶到第i条船舶的通信延时，τij(t)表示第i条船舶到第j条船舶的通信延时，一般地两者的通信延时是对称的，即τij(t)＝τji(t)。通信过程中，基于图论的最小生成树，在此情况下，当整体系统信息交换过程中存在通信结构发生变化时，在保障最小生成树的基础上仍然能够实现船舶编队的整体有效通信，在此基础上可以保障实现编队控制。基于一致性原理得到一致性控制协议为：
Figure BDA0002947992110000076
其中k表示控制参数，aij表示第i条船舶和第j条船舶之间是否存在相邻接关系，若存在相邻接关系则aij＝1，若不存在相邻接关系则aij＝0，bij表示第i条船舶和第j条船舶之间是否存在通信连接，若存在通信连接则bij＝1，若不存在通信连接则bij＝0。从而保障在可变队形和通信延时拓扑结构下的船舶编队控制。其中，当j＝0时，是和领导船之间连接，即上述的第j条船舶可以作为第i条船舶的领导船。也就是相邻的船舶之间不一定存在通信关系，但是相邻船舶需要考虑避碰。相邻的船舶可以把位置信息统一发给通信节点，然后由通信节点转发。因此可以对通信结构上的变化具备更高的鲁棒性。
本发明的一个实施例还提供了一种船舶编队控制装置，包括：存储器，用于存放程序；
处理器，用于执行所述程序，以用于：
建立多个船舶的运动学模型；
根据船舶的运动学模型确定船舶系统模型；
采用领导者-跟随者的编队方式根据船舶系统模型确定船舶的编队控制律；
当船舶编队结构变化构造船舶的势场函数；
根据势场函数确定船舶的控制输入；
构造李雅普诺夫函数以稳定船舶的控制输入。
本发明的一个实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个控制处理器执行，例如，执行以上实施例描述的步骤。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本发明权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种船舶编队控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立多个船舶的运动学模型；
根据所述船舶的运动学模型确定船舶系统模型；
采用领导者-跟随者的编队方式根据所述船舶系统模型确定船舶的编队控制律；
当船舶编队结构变化构造船舶的势场函数；
根据所述势场函数确定船舶的控制输入；
构造李雅普诺夫函数以稳定所述船舶的控制输入。
2.根据权利要求1所述的船舶编队控制方法，其特征在于，所述船舶的运动学模型为：
Figure FDA0002947992100000011
Figure FDA0002947992100000012
其中，η＝[x,y,ψ]T，x表示在大地坐标系下船舶的纵向坐标，y表示在大地坐标系下船舶的横向坐标，ψ表示在大地坐标系下船舶的首向角；
Figure FDA0002947992100000013
表示船体坐标系转换为大地坐标系的转换过程；ν＝[u,v,r]T，u表示在船体坐标系下船舶的纵向速度，v表示在船体坐标系下船舶的横向速度，r表示在船体坐标系下船舶的首向速度；M为船舶的质量矩阵，D(v)表示船舶的阻尼矩阵，C(v)表示船舶的科氏力矩阵；τwind+τwave＝[τudt,τvdt,τrdt]T，τudt表示在船体坐标系下船舶在纵向方向受到的外部环境扰动，τvdt表示在船体坐标系下船舶在横向方向受到的外部环境扰动，τrdt表示在船体坐标系下船舶在首向角方向受到的外部环境扰动；τ表示船舶的控制力矩。
3.根据权利要求2所述的船舶编队控制方法，其特征在于，所述船舶系统模型表示为：
Figure FDA0002947992100000014
其中，p(t)∈R，q(t)∈R，u(t)∈R，p(t)表示船体坐标系下船舶的位置，p＝[px,py]T，px＝x，py＝y；q(t)表示船体坐标系下船舶的速度，q＝[qx,qy]T，qx＝u，qy＝v；u(t)表示船舶的控制输入。
4.根据权利要求3所述的船舶编队控制方法，其特征在于，所述船舶的编队控制律表示为：
Figure FDA0002947992100000021
Figure FDA0002947992100000022
其中，pi表示第i条船舶的位置，pj表示第j条船舶的位置，rij表示第i条船舶与第j条船舶的期望相对距离，qi表示第i条船舶的速度，qj表示第j条船舶的速度。
5.根据权利要求3所述的船舶编队控制方法，其特征在于，所述船舶的编队控制律表示为：
Figure FDA0002947992100000023
Figure FDA0002947992100000024
其中，pi表示第i条船舶的位置，p0表示构造的虚拟船舶的位置，ri表示第i条船舶与虚拟船舶的期望相对距离，qi表示第i条船舶的速度，q0表示构造的虚拟船舶的速度。
6.根据权利要求4所述的船舶编队控制方法，其特征在于，构造的所述势场函数表示为：
Figure FDA0002947992100000025
其中，Uij(||rij||)表示第i条船舶的势场函数，rij表示第i条船舶与第j条船舶之间的期望相对距离，d表示预先设定的两个相邻船舶之间的平衡距离，c1为增益系数。
7.根据权利要求6所述的船舶编队控制方法，其特征在于，所述船舶的控制输入表示为：
Figure FDA0002947992100000026
其中，λ为系数，λ>0；
Figure FDA0002947992100000027
为表示方向的单位向量；aij表示第i条船舶和第j条船舶之间是否存在邻接关系，若存在邻接关系则aij＝1，若没有存在邻接关系则aij＝0；
Figure FDA0002947992100000028
表示第i条船舶和虚拟领导者之间距离的导数，
Figure FDA0002947992100000029
表示第i条船舶和第j条船舶之间距离的导数。
8.根据权利要求7所述的船舶编队控制方法，其特征在于，所述李雅普诺夫函数表示为：
Figure FDA00029479921000000210
其中，Uij(||rij||)表示第i条船舶的势场函数，
Figure FDA0002947992100000031
表示第i条船舶和虚拟领导者之间距离的导数。
9.一种船舶编队控制装置，其特征在于，包括：
存储器，用于存放程序；
处理器，用于执行所述程序，以用于：
建立多个船舶的运动学模型；
根据船舶的运动学模型确定船舶系统模型；
采用领导者-跟随者的编队方式根据船舶系统模型确定船舶的编队控制律；
当船舶编队结构变化构造船舶的势场函数；
根据所述势场函数确定船舶的控制输入；
构造李雅普诺夫函数以稳定船舶的控制输入。
10.一种计算机存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，其特征在于，所述处理器可执行的程序在由所述处理器执行时用于实现如权利要求1-8任一项所述的船舶编队控制方法。
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