一种无人艇编队队形变换方法及装置与流程

本发明属于无人艇编队，具体涉及一种无人艇编队队形变换方法及装置。

背景技术：

1、中国海岸线总长度超过3.26万km，这意味中国拥有大量的海洋资源。海洋成为中国未来发展的重点领域。海洋智能装备是迈向海洋强国的关键支撑力量，面对日益复杂的海洋环境和日益多样的海上任务，无人艇编队已经成为海上无人装备发展的一个重要方向。

2、无人艇编队队形变换是从一种编队队形保持航行阶段到另一种编队队形保持航行阶段的中间过程。队形变换阶段的航行策略主要是从一种队形变成另一种队形的时候，根据各编队艇的航行状态、航行态势及队形的需要为每个编队成员合理地分配各艇的航行路径。相对队形保持航行阶段，队形变换阶段的操作较为复杂，复杂性主要表现在编队成员间近距离的碰撞规避和较高精度的航行控制要求。在成员数量较少的情况下，合理的机动时机(航速和航向)选择可以避免成员间的碰撞，因此队形变换的重点在于机动时机的选择。

3、现有的编队队形变换一般以角度为首要考虑因素确定各艇的目标航线，存在队形变换过程中因两艇之间距离太近而发生碰撞的问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种无人艇编队队形变换方法及装置，不仅可以使无人艇编队能够顺利完成队形变换，还可以避免发生碰撞。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

3、第一方面，本发明提供一种无人艇编队队形变换方法，包括以下步骤：

4、在电子海图上选取两个点，将所述两个点的连线作为目标编队的基准航线；

5、求解队形变换开始时指挥艇位置在基准航线上的投影o，在基准航线航行方向上与o相距一定距离的点为指挥艇的目标位置；

6、基于指挥艇的目标位置，根据目标编队队形的特点确定跟随艇的目标位置；

7、基于队形变换过程中无人艇间的最小距离最大的原则，确定每个跟随艇的目标位置。

8、进一步地，无人艇编队包括“一”字型编队、“t”字型编队、攻击协同编队和抵近侦察协同编队。

9、更进一步地，当前编队为“t”字型编队，目标编队为“一”字型编队，“t”字型编队和“一”字型编队均包括1个指挥艇和n个跟随艇。

10、更进一步地，在基准航线上确定指挥艇的目标位置的方法包括：

11、计算队形变换开始时每个跟随艇的位置与点o的连线在基准航线上的投影ri，i＝1,2,......,n；

12、在基准航线的航行方向上选取与点o距离为r的点o为指挥艇的目标位置，r为：

13、r＝max{rmin,max{r1,r2,......,rn}} (1)

14、式中，rmin为设定的指挥艇目标位置与点o的最小距离。

15、更进一步地，确定跟随艇的目标位置的方法包括：

16、在基准航线的航行方向上选取与点o距离为d0的点为第1个跟随艇的目标位置；

17、在基准航线的航行方向上选取与点o距离为d0+(i-1)×d的点为第i个跟随艇的目标位置，其中，d为相邻两个跟随艇之间的距离，i＝1,2,......,n。

18、更进一步地，确定每个跟随艇的目标位置的方法包括：

19、设计以队形变换开始时n个跟随艇的位置为起点、以n个跟随艇的目标位置为终点的航线，得到n！种跟随艇航线；

20、针对每种跟随艇航线计算队形变换过程中每个采集时刻任意两个无人艇之间距离，计算队形变换过程中所述距离的最小值，得到n！个最小值；

21、确定所述n！个最小值的最大值对应的跟随艇航线的起点和终点，从而得到每个跟随艇对应的目标位置。

22、更进一步地，计算队形变换过程中每个采集时刻任意两个无人艇a、b之间距离的方法包括：

23、以o为原点、以基准航线航行方向为x轴、以水平面上垂直基准航线的方向为y轴，建立直角坐标系xoy；

24、基于无人艇a、b的起点坐标和终点坐标，分别计算无人艇a、b完成队形变换时的航行距离sa、sb，以及航行方向与x轴的夹角αa、αb，0≤αa≤1800，0≤αb≤1800；

25、设定无人艇a、b同时从起点出发朝着终点作匀速直线运动，队形变换完成时间为t，按下式计算无人艇a、b的航行速度：

26、

27、

28、式中，va、vb分别为无人艇a、b的航行速度，vamin、vbmin分别为无人艇a、b的最小航行速度，vamax、vbmax分别为无人艇a、b的最大航行速度；

29、通过分别求解无人艇a、b的起点和终点在x轴、y轴的投影，计算无人艇a、b的起点和终点在直角坐标系xoy中的坐标(xa0,ya0)、(xa1,ya1)和(xb0,yb0)、(xb1,yb1)；

30、计算第i个采集时刻无人艇a、b在直角坐标系xoy中的坐标(xai,yai)、(xbi,ybi)，公式如下：

31、xai＝xa0+i×δt×va×cosαa (4)

32、yai＝ya0+sgn(ya1-ya0)×i×δt×va×sinαa (5)

33、xbi＝xb0+i×δt×vb×cosαb (6)

34、ybi＝yb0+sgn(yb1-yb0)×i×δt×vb×sinαb (7)

35、式中，δt为采集时间间隔，sgn()为符号函数，i＝1,2,......,int(t/δt)，int()为取整函数；

36、计算第i个采集时刻无人艇a、b之间的距离，公式如下：

37、

38、式中，riab为第i个采集时刻无人艇a、b之间的距离。

39、更进一步地，当前编队为“一”字型编队，目标编队为“t”字型编队，“一”字型编队和“t”字型编队均包括1个指挥艇和n个跟随艇；

40、在基准航线上确定指挥艇的目标位置o后，按以下方法确定跟随艇的目标位置：

41、在基准航线航行方向上选取与o距离为d0的一个点，过此点作垂直于基准航线的直线；

42、在所述直线上选取间距为d且关于基准航线对称分布的n个点，得到跟随艇的目标位置。

43、更进一步地，当前编队为“t”字型编队，目标编队为抵近侦察编队，“t”字型编队和抵近侦察编队均包括1个指挥艇和n个跟随艇；

44、在基准航线上确定指挥艇的目标位置o后，按以下方法确定跟随艇的目标位置：

45、在基准航线的航行方向上选取与点o距离为设定值的点p，p为抵近侦察编队跟随艇同心圆航线的圆心，设定n个同心圆的半径为i×d，i＝1,2,......,n；

46、在当前编队跟随艇的位置mi与p的连线上，选取与p距离为i×d+r的点pi，得到跟随艇的目标位置pi；在进行队形变换时，跟随艇到达pi后开始转向进入对应的同心圆航线；其中，r为设定的距离，i＝1,2,......,n。

47、第二方面，本发明提供一种无人艇编队队形变换装置，包括：

48、基准航线选取模块，用于在电子海图上选取两个点，将所述两个点的连线作为目标编队的基准航线；

49、第一位置选取模块，用于求解队形变换开始时指挥艇位置在基准航线上的投影o，在基准航线航行方向上与o相距一定距离的点为指挥艇的目标位置；

50、第二位置选取模块，用于基于指挥艇的目标位置，根据目标编队队形的特点确定跟随艇的目标位置；

51、目标位置匹配模块，用于基于队形变换过程中无人艇间的最小距离最大的原则，确定每个跟随艇的目标位置。

52、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。

53、本发明通过在电子海图上选取两个点，将所述两个点的连线作为目标编队的基准航线，求解队形变换开始时指挥艇位置在基准航线上的投影o，在基准航线航行方向上与o相距一定距离的点为指挥艇的目标位置，基于指挥艇的目标位置，根据目标编队队形的特点确定跟随艇的目标位置，基于队形变换过程中无人艇间的最小距离最大的原则，确定每个跟随艇的目标位置。本发明通过基于队形变换过程中无人艇间的最小距离最大的原则，确定每个跟随艇的目标位置，不仅可以使无人艇编队能够顺利完成队形变换，还可以避免无人艇在队形变换过程中发生碰撞。