CN113885490A - 基于柔性物理连接的双无人艇编队控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的基于柔性物理连接的双无人艇编队控制方法涉及无人艇的多艇协同控制领域，目的是为了克服因此现有的控制方法无法针对具有现实物理约束的多个无人艇进行控制的问题，方法具体步骤如下：步骤一、计算得到虚拟领航者的当前位置；步骤二、计算得到虚拟领航者下一时刻的期望艏向和期望航速，以及虚拟领航者的期望位置；步骤三、确定双无人艇的期望间距的范围；并在考虑双无人艇艏向差的前提下，计算获得双无人艇下一时刻各自的期望位置，以及双无人艇下一时刻各自的期望艏向和期望航速；步骤四、令两个无人艇均在下一时刻到达新的当前位置；步骤五、判断虚拟领航者新的当前位置是否位于目标位置的预设范围内；否则，返回并执行步骤一～步骤五。

Description

基于柔性物理连接的双无人艇编队控制方法

技术领域

本发明涉及无人艇的多艇协同控制领域。

背景技术

随着无人艇相关技术的发展，无人艇逐渐从某个领域的应用逐渐向多领域的应用拓展， 并且逐渐由单无人艇执行任务向多无人艇协同任务发展。

然而，在多无人艇协同领域，采取相对独立的多个无人艇组合。多个无人艇之间不存 在现实意义上的物理约束，因此现有的控制方法无法针对具有现实物理约束的多个无人艇 进行控制，限制了多无人艇合作的应用范围。

发明内容

本发明的目的是为了克服因此现有的控制方法无法针对具有现实物理约束的多个无人 艇进行控制的问题，提供了一种基于柔性物理连接的双无人艇编队控制方法。

本发明的基于柔性物理连接的双无人艇编队控制方法，方法具体步骤如下：

步骤一、获得并通过双艇系统中两个无人艇的当前位置，计算得到虚拟领航者的当前 位置；虚拟领航者为双艇系统队形中心假设存在的无人艇；

步骤二、根据目标位置和虚拟领航者的当前位置，计算得到虚拟领航者下一时刻的期 望艏向和期望航速，以及虚拟领航者的期望位置；

步骤三、通过虚拟领航者下一时刻的期望艏向和期望航速计算双无人艇的最大期望间 距，确定双无人艇的期望间距的范围；

并在考虑双无人艇艏向差的前提下，通过虚拟领航者的期望艏向、虚拟领航者的期望 位置以及双无人艇的期望间距，计算获得双无人艇下一时刻各自的期望位置，以及双无人 艇下一时刻各自的期望艏向和期望航速；

期望间距为双无人艇之间的间距，艏向差为双无人艇的艏向之差；

步骤四、以双无人艇下一时刻各自的期望艏向和期望航速分别推进两个无人艇，令两 个无人艇均在下一时刻到达新的当前位置；

步骤五、判断虚拟领航者新的当前位置是否位于目标位置的预设范围内；

若虚拟领航者新的当前位置位于目标位置的预设范围内，完成双艇系统的编队控制；

否则，返回并执行步骤一～步骤五。

进一步地，步骤三中，双无人艇的期望间距d同时满足如下条件：

d_min≤d≤d_max

其中，d_t表示虚拟领航者的期望位置和目标位置之间的距离；d_max表示双无人艇的期望间距d的最大允许值；d_min表示预设定的双无人艇期望间距d的最小允许值；d_t1与d_t2为双无人艇间距变化参考距离，决定了双无人艇在包围目标时的张角，根据围捕目标信息 及双无人艇的性能选取；d_o表示目标的宽度；C_d为无因次参数，且大于1；

并且，d_max需同时满足：

其中，F_u为无人艇推力，T_r为无人艇回转力矩，L为柔性连接绳与无人艇的拉力作用点距无人艇重心的纵向距离，ρ为水密度，d_AB为柔性连接绳的直径，C_D为水流粘滞系 数，

为虚拟领航者的期望艏向，v_rd为虚拟领航者的期望航速。

进一步地，步骤三中，当艏向差

时：

双无人艇下一时刻各自的期望位置坐标(x_1d,y_1d)和(x_2d,y_2d)通过下式得到：

其中，(x_rd,y_rd)为虚拟领航者下一时刻的期望位置的坐标；

表示最大允许艏向差；

分别表示双无人艇下一时刻各自的期望艏向，且

进一步地，步骤三中，当艏向差

时：

双无人艇下一时刻各自的期望位置的坐标(x_1d,y_1d)和(x_2d,y_2d)通过下式得到：

其中，L_i分别双无人艇中第i个无人艇的当前位置与上一时刻位置之间的距离；i为 无人艇的序数，且i＝1，2。

进一步地，步骤三中，双无人艇下一时刻各自的期望艏向和期望航速通过下式得到：

其中，r_i表示第i个无人艇的当前位置到下一时刻的期望位置的距离；r_i0表示第i个 无人艇的当前位置到下一时刻的期望位置的安全距离。

进一步地，步骤二中，通过下式计算得到虚拟领航者的期望艏向

和期望航速v_rd：

(x_k,y_k)表示目标位置的坐标，v_t表示目标的运动速度；v₀表示无人艇最大的航速；r 表示虚拟领航者的当前位置到目标位置的距离；r₀表示虚拟领航者的当前位置到目标位置 安全距离；ε为调节航速收敛速度的参数；

通过下式计算得到的虚拟领航者下一时刻的期望位置：

其中，ΔT为时间间隔。

进一步地，步骤一中，计算得到虚拟领航者的当前位置(x_r,y_r)为：

其中，(x₁,y₁)和(x₂,y₂)分别为双艇系统中两个无人艇的当前位置的坐标。

本发明的有益效果是：

本发明的方法对存在具体物理连接情况的多无人艇进行控制，使多无人艇可以共同实 行拖曳等合作行为，对于继续拓展无人艇的应用领域具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一，本实施方式的基于柔性物理连接的双无人艇编队控制方法，方法具 体步骤如下：

(1)通过双无人艇的位姿传感器，得到双无人艇的实时位置和艏向信息；

(2)假设双无人艇的队形中心为虚拟领航者(即为R)，根据双无人艇的位置和艏向信息，得到虚拟领航者的位置和艏向信息，即双艇系统的位置和艏向信息；

(3)已知跟踪目标的位置，根据虚拟领航者轨迹跟踪方法得到虚拟领航者下一时刻 的期望艏向和航速信息；

(4)计算双无人艇的期望间距和艏向差情况，并根据获取的双无人艇的实时位置和 艏向信息，以及双艇系统下一时刻的期望艏向和航速信息，计算双无人艇下一时刻各自的 期望艏向和航速信息，然后计算得到双无人艇下一时刻各自的期望位置；

(5)通过双艇的推进装置，得到双艇下一时刻的位置，并循环进行步骤(1)～(5)；

(6)直到虚拟领航者位置位于目标位置的预设范围内，完成编队控制任务。

其中，步骤(3)中计算虚拟领航者下一时刻艏向和航速信息的方法为：

假设在T时刻(当前)，双无人艇的位置坐标分别为(x₁,y₁)和(x₂,y₂)，则虚拟领航者的位置为：

首先求解虚拟领航者的期望艏向和期望航速，虚拟领航者在(T+1)时刻的期望位置 定义为(x_rd,y_rd)，则虚拟领航者的期望首先

和期望航速v_rd设为：

上式中，

和v_rd＝f_vd(x_r,y_r,x_rd,y_rd)为自定义函数，其具体形式 为：

上式中，v_t表示目标点运动的速度；v₀表示无人艇最大的航速；r₀表示安全距离；ε为调节航速收敛速度的参数。

根据得到的虚拟领航者的期望艏向和期望航速，求解虚拟领航者的期望位置：

其中，ΔT为时间间隔，通常采用离散式，一个循环就是一个周期，就是时间间隔。无人艇的控制输入为τ_c＝[F_u 0 T_r]^T，物理连接绳索对无人艇的干扰力及力矩为 τ_f＝[τ_fx0 τ_ft]^T(τ_fx为船头(船艏)方向的推力，0为船侧方向的推力(恒为零)，τ_ft为回转力矩)。为了避免双无人艇的间距过大，导致物理连接绳索对双无人艇的水动力干 扰超过无人艇的承受能力，需要对双无人艇的间距进行限制，即：

τ_f＜τ_c (6)

则有：

其中，Af为柔性连接绳的总迎流面积。

于是：

L_ABX表示双无人艇间距在与双无人艇系统艏向的垂直方向上的投影长度，所以比双无 人艇的间距小。

由此，为了使双无人艇的最大期望间距留有余量，步骤(4)中，双无人艇的期望间距设置以满足如下条件：

上式中，d_max表示双无人艇期望间距d的最大允许值。d_max的大小决定了双无人艇在进行跟踪时的围捕能力，即围捕目标的宽度不能超过d_max，否则将导致围捕失败。

此外，设定上d_min为双无人艇期望间距d的最小允许值，其取值根据实际情况自行设 定。

则双无人艇的期望间距应该满足：

d_min≤d≤d_max (10)

在满足公式(10)的前提下，d的取值也应该视情况而定，在进行双无人艇协同跟踪时，为了减小航行时的阻力以节约能源，在双无人艇航行时应该在完成任务的前提下使双无人艇间距尽可能小。当双无人艇接近目标之后，再增加双无人艇间距至略大于围捕目标的宽度，以使双无人艇形成一个张角，包围住目标。在成功包围之后，再将双无人艇间距 减小至之前的大小，完成运输任务。

则有：

上式中，d_t表示双无人艇系统和目标之间的距离；d_t1与d_t2为双无人艇间距变化参考 距离，决定了双无人艇在包围目标时的张角，根据围捕目标信息及双无人艇的性能选取； d_o表示目标的宽度；C_d为无因次参数，是一个略大于1的系数，即双无人艇间距大于目标宽度。

通过轨迹跟踪方法得到双无人艇的艏向

和

为了防止发生“拖曳分离”现象，需要将双无人艇之间的艏向差控制在一个合理的范围内，即步骤(4)中，艏向差的计算 方法：

其中，

表示最大允许艏向差，该量与物理连接绳索的长度、艇间距离以及航速有关；

为自定义函数，其主要功能是将无人艇艏向由(-π,π)变换成(0,2π)，其表达 式为：

当艏向差符合要求时，可以得到双无人艇的期望位置：

上式中，(x_rd,y_rd)为虚拟领航者的期望位置；

表示虚拟领航者的期望首先；(x_1d,y_1d)，(x_1d,y_1d)分别表示1号无人艇及2号无人艇的期望位置；d表示双无人艇的期 望间距，其数值由双艇系统情况自行设置。

当

时，通过改变双无人艇的期望点的坐标来实现改变期望艏向，进而抵消艏 向误差。在此情况下，取代满足艏向差情况下的公式(15)，双无人艇的目标位置为：

上式中，L_i(i＝1,2)表示i号无人艇的此刻位置与上一时刻位置之间的距离，其计算 公式为：

根据双无人艇的当前位置和期望位置，采用同计算虚拟领航者期望艏向和航速的方 法，计算双无人艇的期望艏向及期望航速：

Claims (7)

1.基于柔性物理连接的双无人艇编队控制方法，其特征在于，所述方法具体步骤如下：

步骤一、获得并通过双艇系统中两个无人艇的当前位置，计算得到虚拟领航者的当前位置；所述虚拟领航者为双艇系统队形中心假设存在的无人艇；

步骤二、根据目标位置和虚拟领航者的当前位置，计算得到虚拟领航者下一时刻的期望艏向和期望航速，以及虚拟领航者的期望位置；

步骤三、通过虚拟领航者下一时刻的期望艏向和期望航速计算双无人艇的最大期望间距，确定双无人艇的期望间距的范围；

并在考虑双无人艇艏向差的前提下，通过虚拟领航者的期望艏向、虚拟领航者的期望位置以及双无人艇的期望间距，计算获得双无人艇下一时刻各自的期望位置，以及双无人艇下一时刻各自的期望艏向和期望航速；

所述期望间距为双无人艇之间的间距，所述艏向差为双无人艇的艏向之差；

步骤四、以双无人艇下一时刻各自的期望艏向和期望航速分别推进两个无人艇，令两个无人艇均在下一时刻到达新的当前位置；

步骤五、判断虚拟领航者新的当前位置是否位于目标位置的预设范围内；

若虚拟领航者新的当前位置位于目标位置的预设范围内，完成双艇系统的编队控制；

否则，返回并执行步骤一～步骤五。

2.根据权利要求1所述的基于柔性物理连接的双无人艇编队控制方法，其特征在于，步骤三中，双无人艇的期望间距d同时满足如下条件：

d_min≤d≤d_max

其中，d_t表示虚拟领航者的期望位置和目标位置之间的距离；d_max表示双无人艇的期望间距d的最大允许值；d_min表示预设定的双无人艇期望间距d的最小允许值；d_t1与d_t2为双无人艇间距变化参考距离，决定了双无人艇在包围目标时的张角，根据围捕目标信息及双无人艇的性能选取；d_o表示目标的宽度；C_d为无因次参数，且大于1；

并且，d_max需同时满足：

其中，F_u为无人艇推力，T_r为无人艇回转力矩，L为柔性连接绳与无人艇的拉力作用点距无人艇重心的纵向距离，ρ为水密度，d_AB为柔性连接绳的直径，C_D为水流粘滞系数，

为虚拟领航者的期望艏向，v_rd为虚拟领航者的期望航速。

3.根据权利要求2所述的基于柔性物理连接的双无人艇编队控制方法，其特征在于，步骤三中，当艏向差

时：

双无人艇下一时刻各自的期望位置坐标(x_1d,y_1d)和(x_2d,y_2d)通过下式得到：

其中，(x_rd,y_rd)为虚拟领航者下一时刻的期望位置的坐标；

表示最大允许艏向差；

分别表示双无人艇下一时刻各自的期望艏向，且

4.根据权利要求2所述的基于柔性物理连接的双无人艇编队控制方法，其特征在于，步骤三中，当艏向差

时：

双无人艇下一时刻各自的期望位置的坐标(x_1d,y_1d)和(x_2d,y_2d)通过下式得到：

其中，L_i分别双无人艇中第i个无人艇的当前位置与上一时刻位置之间的距离；i为无人艇的序数，且i＝1，2。

5.根据权利要求3或4所述的基于柔性物理连接的双无人艇编队控制方法，其特征在于，步骤三中，双无人艇下一时刻各自的期望艏向和期望航速通过下式得到：

其中，r_i表示第i个无人艇的当前位置到下一时刻的期望位置的距离；r_i0表示第i个无人艇的当前位置到下一时刻的期望位置的安全距离。

6.根据权利要求5所述的基于柔性物理连接的双无人艇编队控制方法，其特征在于，步骤二中，通过下式计算得到虚拟领航者的期望艏向

和期望航速v_rd：

(x_k,y_k)表示目标位置的坐标，v_t表示目标的运动速度；v₀表示无人艇最大的航速；r表示虚拟领航者的当前位置到目标位置的距离；r₀表示虚拟领航者的当前位置到目标位置安全距离；ε为调节航速收敛速度的参数；

通过下式计算得到的虚拟领航者下一时刻的期望位置：

其中，ΔT为时间间隔。

7.根据权利要求6所述的基于柔性物理连接的双无人艇编队控制方法，其特征在于，步骤一中，计算得到虚拟领航者的当前位置(x_r,y_r)为：

其中，(x₁,y₁)和(x₂,y₂)分别为双艇系统中两个无人艇的当前位置的坐标。

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