一种面向海上目标围捕的双无人艇编队控制方法

1.本发明属于多艇编队控制技术领域，具体涉及一种面向海上目标围捕的双无人艇编队控制方法。


背景技术：

2.随着经济发展和科技进步，海上石油运输的需求越来越大。海上石油运输作为航运的重要组成部分，溢油事故的发生却越来越频繁。大量的海洋溢油，不仅造成巨大的经济损失和环境污染，同时回收过程中挥发的溢油对工作人员的生命安全也造成巨大威胁。因此，溢油处理方法的研究具有重要意义。
3.无人艇具有成本低廉，灵活性高等特点，可以通过远程遥控以及自主决策执行任务，在应对危险环境下的任务时具有独特的优势。因此，利用无人艇进行溢油处理作业有巨大的发挥空间。
4.专利号：cn 107168341 b，名称为“面向溢油围捕的柔性连接式双误人提供自主协同方法”，提供了一种双无人艇溢油围捕方法，该方法采用遗传算法规划最优航迹，使用模糊零空间的行为融合方法修正航态，得到双无人艇的期望艏向和航速。该方法设置了四种行为，包括速度动态调整，队形保持，轨迹跟踪，溢油围捕。该行为融合方法能够完成溢油围捕任务，但是该方法未能提供避障功能，且采用较为复杂的行为融合算法，将使双艇长时间处于多种行为的判断和队形修正中，导致执行溢油围捕的工作效率较低。
5.专利号：cn 112327872 b，名称为“面向溢油围捕的双无人艇协同轨迹跟踪方法”，提出了一种基于零空间行为融合算法的双无人艇溢油围捕方法，设计了三个行为，按照优先级由高到低分别是相互避碰行为、保持队形行为和趋向目标行为。该行为融合方法能够完成溢油围捕任务，但是把行为的优先级设计成固定值，没有考虑溢油围捕任务在不同阶段的特殊性，导致执行溢油围捕的工作效率较低。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于解决现有的双无人艇目标围捕方法中，编队控制算法复杂度高造成目标围捕的工作效率低的问题，提供一种面向海上目标围捕的双无人艇编队控制方法。
7.一种面向海上目标围捕的双无人艇编队控制方法，包括以下步骤：步骤1：根据目标围捕任务采用零空间行为融合方法设计四种行为：目标跟踪、协同编队、目标围捕、距离保持；步骤1.1：设置控制参数；其中，i=a,b,c，i=a表示目标跟踪行为，i=b表示协同编队行为，i=c表示目标围捕行为；为前视距离参数，满足；ri为行为i中无人艇期望位置至期望队形中心的距离，满足r
c》
ra、r
c》
rb；di为行为i的限制系数；v
imax
为行为i中的无人艇极限速度；v
dmax
为无人艇执行距离保持行为的极限速度；
步骤1.2：设置目标跟踪、协同编队、目标围捕行为的期望位置pa、pb、pc；；其中，为虚拟领航者的期望航向，由围捕的目标位置根据双无人艇的制导律规划得到，虚拟领航者位置pe是双无人艇队形中心位置，；步骤1.3：设计零空间行为融合控制方法中四种行为的控制函数及其雅克比矩阵和伪逆矩阵；对于目标跟踪、协同编队、目标围捕行为，其控制函数σi为：其中，双无人艇在当前时刻的实际位置表示为，函数表示点到点的距离；控制函数σi的雅克比矩阵ji为：雅克比矩阵ji的伪逆矩阵j
i
为：对于距离保持行为，其控制函数σd及其雅克比矩阵jd和伪逆矩阵j
d
为：为：
步骤1.4：计算无人艇执行目标跟踪、协同编队、目标围捕行为后的速度va、vb、vc；其中，v
1ix
、v
2ix
分别表示双无人艇执行行为i后沿x轴方向的速度；v
1iy
、v
2iy
分别表示双无人艇执行行为i后沿y轴方向的速度；步骤2：目标围捕工作的初始阶段，双无人艇静止在水面上，执行编队构成子任务，双无人艇形成以期望航向为系统方向的齐头并进编队队形；在执行编队构成子任务时，协同编队行为设为第一优先级，目标跟踪行为设为第二优先级，距离保持行为设为第三优先级，围捕目标行为与协同编队行为产生冲突，故舍弃；双无人艇完成编队构成子任务后的速度va为：其中，；i为单位矩阵；步骤3：完成编队构成子任务后，双无人艇执行追击目标子任务；双无人艇在维持队形的情况下加速，并维持高速追击目标；在执行追击目标子任务时，目标跟踪行为设为第一优先级，协同编队行为设为第二优先级，距离保持行为设为第三优先级，围捕目标行为与协同编队行为产生冲突，故舍弃；双无人艇完成执行追击目标子任务后的速度vb为：步骤4：完成追击目标子任务后，双无人艇执行编队构成子任务，使双无人艇维持编队队形，降低速度，为围捕目标进行准备工作，直到达到接近目标的预设位置，完成编队构成子任务；步骤5：完成步骤4中的编队构成子任务后，双无人艇执行目标围捕子任务；双无人艇进行队形变换，双无人艇间距扩大，分别从目标两侧越过目标，并保持航向行驶到期望位置，完成目标围捕；在执行围捕目标子任务时，围捕目标行为设为第一优先级，距离保持行为设为第二优先级，目标跟踪行为设为第三优先级，协同编队行为与围捕目标行为产生冲突，故舍弃；双无人艇完成围捕目标子任务后的速度vc为：
其中，；步骤6：围捕目标之后，双无人艇间距较大，不利于维持队形稳定，因此执行编队构成子任务，恢复稳定队形，完成海上目标围捕任务本发明的有益效果在于：本发明采用零空间行为融合控制方法，根据目标围捕任务的特殊性设计双无人艇的四种行为：目标跟踪、协同编队、目标围捕和距离保持；并根据围捕目标物的过程设计了三个子任务：编队构成、追击目标、目标围捕。本发明设计了完整的双无人艇编队执行海上目标围捕任务的步骤，解决了现有的双无人艇目标围捕方法中，编队控制算法复杂度高造成目标围捕的工作效率低的问题。
附图说明
8.图1为本发明中无人艇目标跟踪行为的示意图。
9.图2为本发明中无人艇协同编队行为的示意图。
10.图3为本发明的流程图。
具体实施方式
11.下面结合附图对本发明做进一步描述。
12.零空间行为融合控制方法，即null-spaced-based(nsb)，就是将所有行为分成不同的优先级，然后将低优先级的行为向高优先级的行为的零空间上投影，最终可以在完成高优先级行为时，完成一部分低优先级的行为，并且低优先级的行为无法影响到高优先级的行为。下面，简要的介绍一下零空间行为融合方法的计算方法：对于第i个行为，首先定义如下的一个函数：上式中，表示的是待控制的变量，m表示函数的维度；p=[p
1 p2], p1和p2分别表示双无人艇的位置，即：于是，完成第i个行为的速度输出为：上式中，，是一个2
×
2的矩阵，表示双无人艇分别在横、纵方向的期望航速；j
i
是雅克比矩阵的伪逆矩阵，其计算方法后面会进行说明；分别表示待控制的变量的期望值及期望值的导数；是一个常数收益正定矩阵；表示待控制变量的误差，即。
[0013][0013]
当存在多个行为时，最终的输出速度是在考虑各行为的优先级的情况下将各行为的速度进行叠加，具体的方法就是先把低优先级的行为的输出速度投影到高优先级的零空间上，以此来消除低优先级行为输出速度中对高优先级行为有影响的那部分。通过上述的分析，可以得到最终系统的输出速度可以表示为：上式中，速度下标数字表示该速度所对应行为的优先级，假设下标数字为1的输出速度对应的行为的优先级最高，且下标数字越大，优先级越低。n
1k
表示将优先级为k的行为投影到优先级为1的行为的零空间所对应的零空间投影矩阵，且有：上式中，j
1k
表示将优先级为i的行为投影到优先级为1的行为的零空间所对应的雅克比零空间，定义其计算方法为：假设已经规划出双无人艇协同目标围捕的期望轨迹，并且通过两艘无人艇上的位姿传感器实时测得双无人艇的位置和姿态信息。根据目标围捕任务的特殊性设计双无人艇的四种行为：双艇目标跟踪、双艇协同编队、双艇目标围捕和双艇距离保持。
[0014]
（1）双艇目标跟踪行为如图1所示，假设双艇在本时刻的实际位置向量p表示为：双无人艇目标跟踪的期望位置pa为：下面介绍双无人艇目标跟踪行为的期望位置pa的设计过程：虚拟领航者位置pc(xc,yc)是双无人艇队形中心位置，则有：双无人艇目标跟踪行为的期望中心位置p
ca
为：式中：为设计的前视距离，其值根据需求自行设定则双无人艇的期望位置为：
式中，ra为设计的无人艇到双艇队形中心距离，即双艇设计间距的一半，其值根据实际情况（双艇的主尺度、围油栏的长度、目标的大小等）自行设定；为虚拟领航者期望航向。
[0015]
双艇目标跟踪行为控制函数为：式中：为一号无人艇期望位置p
1a
到当前位置p1的距离；为二号无人艇期望位置p
2a
到当前位置p2的距离。
[0016]
对上式两边求导，得到：式中：ja为行为控制函数的雅克比矩阵；为两无人艇在大地坐标系下分别沿ox轴、oy轴方向的期望速度。
[0017]
求解伪逆矩阵j
a
：任务输出函数为，其中为行为函数期望值的导数，在目标跟踪设计中，行为函数的物理含义为无人艇趋向于目标点，则目标跟踪行为函数期望值，则有为行为函数的误差，即；为双艇目标跟踪速度系数矩阵：其中，λ
1a
、λ
2a
分别为两艇的速度系数，在零空间行为设计中为根据实际情况自行
设定的常数系数。常系数设定往往导致“饱和规划”问题，导致行为规划的结果超出执行能力，使得很长一段时间内，行为输出受限于执行设备的最大执行能力，导致该段时间内的行为规划无效。因此，结合行为特点，针对“饱和规划”问题，设计具有物理意义的行为系数，具体如下表示：式中，v
amx
为设计的无人艇目标跟踪行为最大运动速度，根据实际情况自行设定，da=1.5为限制系数。
[0018]
上述公式代入，得到双无人艇目标跟踪行为输出为va：式中：v
1ax
表示1号艇沿x轴方向的速度，v
1ay
表示1号艇沿y轴方向的速度;v
2ax
表示2号艇沿x轴方向的速度，v
2ay
表示2号艇沿y轴方向的速度。
[0019]
（2）双艇协同编队行为双无人艇协同编队行为和双无人艇目标跟踪行为相似，均采用双无人艇分别跟踪各自目标点的方法，但目标点与目标跟踪行为不同，在期望位置参数设计上存在区别，艇间间距大于目标跟踪行为，小于围捕目标行为；前视距离小于目标跟踪行为；无人艇最大速度也介于目标跟踪行为最大速度和尾部目标最大速度之间。无人艇的目标点设计如下所示。
[0020]
如图2所示，假设双艇在本时刻的实际位置向量p表示为：双无人艇目标跟踪的期望位置pb为：则双无人艇协同编队行为期望位置队形中心p
cb
(x
cb
,y
cb
)为：式中：为设计的前视距离，其值根据实际情况自行设定。
[0021]
双无人艇期望位置p
1b
(x
1b
,y
1b
)、p
2b
(x
2b
,y
2b
)为：
式中：rb为设计的无人艇到双艇队形中心距离，即双艇设计间距db的一半，其值根据实际情况自行设定。
[0022]
双艇协同编队行为控制函数为：式中：为一号无人艇期望位置p
1b
到当前位置p1的距离；为二号无人艇期望位置p
2b
到当前位置p2的距离。
[0023]
求解j
b
：双无人艇协同编队目标行为结果vb为：式中：是协同编队行为速度系数矩阵，；，v
bmx
为双无人艇协同编队行为的设计最大运动速度，db=1.5为限制系数。
[0024]
（3）双艇目标围捕行为双无人艇围捕目标时，需要进行队形重构，使得双艇队形满足围油目标的要求，即
保持较低航速，双艇间距扩大，无人艇从目标两侧越过目标。因此，此行为本质上是协同编队行为。在设计上与双无人艇协同编队存在冲突。双无人艇围捕溢油行为设计与协同编队行为相同，仅在期望位置参数设计上存在区别，因为双艇间距扩大，所以设计的艇间间距要扩大，行为的最大速度减小但依然大于目标点速度。下面进行简要介绍：如图2所示，假设双艇在本时刻的实际位置向量p表示为：双无人艇目标跟踪的期望位置pc双艇协同编队行为控制函数双艇协同编队行为控制函数式中：为一号无人艇期望位置p
1c
到当前位置p1的距离；为二号无人艇期望位置p
2c
到当前位置p2的距离。
[0025]
双无人艇目标跟踪行为输出vc为：双无人艇围捕目标时，需要进行队形重构，使得双艇队形满足围捕目标的要求，即保持较低航速，双艇间距扩大，无人艇从目标两侧越过目标。因此，此行为本质上是协同编队行为。在设计上与双无人艇协同编队存在冲突。双无人艇围捕目标行为设计与协同编队行为相同，仅在期望位置参数设计上存在区别。
[0026]
（4）双艇距离保持行为在执行双无人艇协同编队或者围捕目标行为时，由于无人艇距离各自期望目标较近，且与虚拟领航者期望航向相差较大，同时考虑无人艇的运动能力以及围捕缆的影响，因此设计双无人艇距离保持行为，限制双无人艇间距变化的超调，以及防止双无人艇过近导致相撞。前三种行为的本质都是双无人艇跟踪各自的期望位置，控制函数都是双无人艇与各自期望位置之间的距离。但是双艇距离保持行为的控制函数是双无人艇之间的距离。
[0027]
如图2所示，假设双艇在本时刻的实际位置向量p表示为：双艇协同编队行为控制函数双艇协同编队行为控制函数距离保持行为的雅克比矩阵jd为：则有，式中：为两艘无人艇的距离。
[0028]
双艇就离保持行为输出速度vd为：式中：dd为双无人艇期望间距，，v
dmax
为设计的双艇距离保持行为最大运动速度。
[0029]
根据目标围捕任务的特殊性设计三个子任务：编队构成、追击目标、目标围捕。
[0030]
对于期望位置选取规则，通过自行设定参数与ra，以及双艇队形中心的期望航向，且已知双无人艇实时位置，可得到双无人艇的期望位置。双无人艇目标跟踪期望位置设计如图1所示：ra为设计的无人艇到双艇队形中心距离，双艇设计间距da的一半。对于任意时刻，已知围捕缆作用于无人艇的拖曳力。随着ra值的增大，两无人艇横向间距增大，无人艇所受拖曳力增大，拖曳力与无人艇船艉方向所成夹角增大，导致横向阻力、回转力矩均增大。由此可见，此距离对于无人艇编队负面作用极大。此外，当ra设计过小时，由于双无人艇受到围捕缆的影响，且无人艇运动存在一定滞后性，双无人艇易发生相撞导致编队失败。因此，ra值设定要求在保持编队安全的前提下尽量小。
[0031]
为设计的前视距离，定义域为[0, ∞)。当设计最小时，有，则有pc=p
ca
，双无人艇将无法执行目标跟踪行为，仅可以调整各自位置至无人艇队形中心两侧期望目标点，即仅能执行编队效果。且即使仅考虑编队效果，由于双无人艇实时位置的连线和期望位置的连线存在交叉，双无人艇期望导致两艘无人艇分别前进和后退。考虑到双无人艇船艉系有围捕缆，无人艇向后运动是不可接受的。
[0032]
随着设计值逐渐增大，对任意无人艇而言，无人艇实时位置到期望位置的距离在沿虚拟领航者期望航向方向上逐渐增大，而无人艇实时位置到期望位置的距离在沿虚拟领航者期望航向方向的垂直方向上仍然保持不变。导致无人艇调节相对横向距离能力逐渐
降低，调节相对纵向距离能力由于控制方程分母的增大不能确定提高，且目标跟踪速度逐渐增大。当，该行为失去调节相对横线距离的能力，调节相对纵向距离能力由于控制方程分母的增大到无穷也将失去，虽然双无人艇将全速目标跟踪，但是造成更为严重的负面后果。由此可见，根据ra值、值的设定，该行为设计可以在一定程度上综合目标跟踪和双无人艇编队。两种效果占比由参数设计决定。
[0033]
综上，本发明中一种面向海上目标围捕的双无人艇编队控制方法，包括以下步骤：步骤1：根据目标围捕任务采用零空间行为融合方法设计四种行为：目标跟踪、协同编队、目标围捕、距离保持；步骤1.1：设置控制参数；其中，i=a,b,c，i=a表示目标跟踪行为，i=b表示协同编队行为，i=c表示目标围捕行为；为前视距离参数，满足；ri为行为i中无人艇期望位置至期望队形中心的距离，满足r
c》
ra、r
c》
rb；di为行为i的限制系数；v
imax
为行为i中的无人艇极限速度；v
dmax
为无人艇执行距离保持行为的极限速度；步骤1.2：设置目标跟踪、协同编队、目标围捕行为的期望位置pa、pb、pc；；其中，为虚拟领航者的期望航向，由围捕的目标位置根据双无人艇的制导律规划得到，虚拟领航者位置pe是双无人艇队形中心位置，；步骤1.3：设计零空间行为融合控制方法中四种行为的控制函数及其雅克比矩阵和伪逆矩阵；对于目标跟踪、协同编队、目标围捕行为，其控制函数σi为：其中，双无人艇在当前时刻的实际位置表示为，函数表示点到点的距离；控制函数σi的雅克比矩阵ji为：雅克比矩阵ji的伪逆矩阵j
i
为：
对于距离保持行为，其控制函数σd及其雅克比矩阵jd和伪逆矩阵j
d
为：为：为：步骤1.4：计算无人艇执行目标跟踪、协同编队、目标围捕行为后的速度va、vb、vc；其中，v
1ix
、v
2ix
分别表示双无人艇执行行为i后沿x轴方向的速度；v
1iy
、v
2iy
分别表示双无人艇执行行为i后沿y轴方向的速度；步骤2：目标围捕工作的初始阶段，双无人艇静止在水面上，执行编队构成子任务，双无人艇形成以期望航向为系统方向的齐头并进编队队形；在执行编队构成子任务时，协同编队行为设为第一优先级，目标跟踪行为设为第二优先级，距离保持行为设为第三优先级，围捕目标行为与协同编队行为产生冲突，故舍弃；双无人艇完成编队构成子任务后的速度va为：其中，；i为单位矩阵；步骤3：完成编队构成子任务后，双无人艇执行追击目标子任务；双无人艇在维持队形的情况下加速，并维持高速追击目标；在执行追击目标子任务时，目标跟踪行为设为第一优先级，协同编队行为设为第二优先级，距离保持行为设为第三优先级，围捕目标行为与协同编队行为产生冲突，故舍
弃；双无人艇完成执行追击目标子任务后的速度vb为：步骤4：完成追击目标子任务后，双无人艇执行编队构成子任务，使双无人艇维持编队队形，降低速度，为围捕目标进行准备工作，直到达到接近目标的预设位置，完成编队构成子任务；步骤5：完成步骤4中的编队构成子任务后，双无人艇执行目标围捕子任务；双无人艇进行队形变换，双无人艇间距扩大，分别从目标两侧越过目标，并保持航向行驶到期望位置，完成目标围捕；在执行围捕目标子任务时，围捕目标行为设为第一优先级，距离保持行为设为第二优先级，目标跟踪行为设为第三优先级，协同编队行为与围捕目标行为产生冲突，故舍弃；双无人艇完成围捕目标子任务后的速度vc为：其中，；步骤6：围捕目标之后，双无人艇间距较大，不利于维持队形稳定，因此执行编队构成子任务，恢复稳定队形，完成海上目标围捕任务。实施例1：双无人艇目标跟踪行为，双无人艇期望位置参数设计如下：双无人艇协同编队行为参数设计如下：双无人艇围捕溢油行为参数设计如下：围捕溢油行为与协同编队行为的主要功能是调整双无人艇的编队状态，两者的行为设计仅有无人艇到双艇队形中心的横向距离不同，两行为功能上存在替代关系，在执行上冲突严重。因此，协同围捕行为和围捕溢油行为不要共同使用。
[0034]
双艇距离保持行为中dd为双无人艇期望间距，当距离保持行为搭配协同编队行为时，有dd=2rb=10m，当距离保持行为搭配围捕溢油行为时，有dd=2rb=20m。
[0035]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。