CN115686004B - 一种基于无人船分散式编队控制的路径动态规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人船分散式编队控制的路径动态规划方法，包括在无人船编队中选择任意一艘船作为参考船；设定参考船的航线数据，计算得到编队其他船只的航线数据，分别存储到对应的无人船上；进入编队航线后，各无人船根据自身本地存储的航线数据分别行驶，并实时反馈自身位置信息与航段航行数据；根据各无人船的航行数据计算当前航段实际到达时间，并与预先设定的理论到达时间进行比较，动态调整各船当前航速，使得整个航线保持队形运动，本发明在海上通信质量较差，无人船编队相距距离较远，实际航行时实时性的保障较差的情况下，保证了航行编队的队形稳定。

Description

一种基于无人船分散式编队控制的路径动态规划方法

技术领域

本发明涉及一种基于无人船分散式编队控制的路径动态规划方法，属于无人船控制技术领域。

背景技术

无人船是一种可以无需遥控，借助精确卫星定位和自身传感即可按照预设任务在水面航行的水面机器人。这种“水面机器人”融合了船舶控制、通信、自动化控制、远程监控和网络化系统等多项技术，实现了自主导航、智能避障、远距离通信、视频实时传输和网络化监控等多项功能。作为一种新型技术手段，无人船已经在海洋调测、海上防务等领域得到了广泛应用。

在无人船行驶过程中，经常会遇到由风、浪等引起的高海况。在高海况下，无人船容易出现倾覆、失速或飞车等情况，因此，高海况下的无人船控制方法，直接关系到无人船的行驶安全和任务适用性。目前，无人船控制方法能够保证低海况下无人船的平稳行驶，但当遇到高海况时，现有的无人船控制方法无法依据海况对无人船进行自适应控制，进而无法保证无人船在高海况下的平稳行驶，大型无人船编队方阵规模大，船只之间相对距离远，海上通信受限船之间数据交互不畅，实际航行时实时性的保障较差，以及大型船只转向复杂、转弯半径大，大型无人船加减速控制时长等问题均亟待解决。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于无人船分散式编队控制的路径动态规划方法，在海上通信质量较差，无人船编队相距距离较远，实际航行时实时性的保障较差的情况下，保证了航行编队的队形稳定。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

本发明提供了一种基于无人船分散式编队控制的路径动态规划方法，包括：

在无人船编队中选择任意一艘船作为参考船，根据参考船的位置，计算得到编队中其他船只的相对位置关系；

设定参考船的航线，根据各船只之间的相对位置关系以及预先编辑的队形，生成编队中其他无人船的航线；

设定参考船的航线数据，计算得到编队其他船只的航线数据，分别存储到对应的无人船上；

进入编队航线后，各无人船根据自身本地存储的航线数据分别行驶，并实时反馈自身位置信息与航段航行数据；

根据各无人船的航行数据计算当前航段实际到达时间，并与预先设定的理论到达时间进行比较，动态调整各船当前航速，使得整个航线保持队形运动。

进一步的，选择无人船编队中相对位置最前方的船只作为参考船。

进一步的，所述根据各船只之间的相对位置关系以及预先编辑的队形，生成编队中其他无人船的航线，包括：

直线时与参考航线对应航段平行，转弯时通过添加与转弯起始与结束的弧线段相切的延长航线，保证队形在开始与结束位置一致。

进一步的，所述航线数据由数条航段的数据组成，每条航段的数据均包括起始点、到达点、速度、是否为转弯信息。

进一步的，统一编队中各无人船的本地时间，采用到达时间作为动态规划的收敛项。

进一步的，对于所有的航线，其中的每一个航段都会根据参考航线的路程和速度计算自身的航段速度，其中：直线航行时，每一个航段的速度均与参考航线的速度保持一致，折线航行时，通过添加与转弯起始与结束的弧线段相切的延长航线，计算编队成员在延长航线与转向过程中的速度。

进一步的，所述直线航行时的计算公式如下：

对于航段S，可以将其分为n个航段S₁,S₂…S_n,使得：

S＝S₁+S₂+…+S_n

设S为参考航线，v₁,v₂…v_n为参考航线上各个航段的速度，则编队成员a的航线上各个航段A₁,A₂…A_n,的速度v_a1,v_a2…v_am表示为：

进一步的，所述折线航行时的计算公式如下：

参考航线在转弯后保持航速持续航行一段距离d，d等于参考船与编队最末尾船所在直线的垂线的长度，在参考船开始转向时，编队其他船n进入一段预转向直线航段d_n，到达转向点后按照与d_n时同样的速度沿弧线航段l_n转向，终点为完成转向后队形中所在的位置，此时，编队成员在延长航线与转向过程中的速度v_an为：

进一步的，所述根据各无人船的航行数据计算当前航段实际到达时间，并与预先设定的理论到达时间进行比较，动态调整各船当前航速，使得整个航线保持队形运动，包括：

根据航线规划时的各个航段的路程A_n和设定速度V_n，得到当前航段的理论到达时间；

通过计算各个航段的到达时间，把整条航线的航行过程拆分为n条航段的航行过程；

当无人船在航段A_n航行时，根据其当前位置计算出当前航段的剩余路程A'_n；

根据当前航速V'_n，得到实际剩余到达时间t'₀，理论剩余到达时间t₀通过V_n得到，通过比较，当t₀大于t'₀时，速度较快，将速度减少Δv，当t₀小于t'₀时，速度较慢，将速度增加Δt，Δt的值根据预确定的匹配规则匹配获得，通过调整，最终使得：

以上过程在无人船通过的每个航段实时动态进行，使得每一个航段的t'₀收敛于t₀；通过保证每一个航段的实际到达时间与理论到达时间吻合，使得整个航线保持队形运动。

进一步的，所述无人船编队保持队形运动，直到到达航线终点，到达终点后保持到达的航向减速航行，直至停止，期间无人船能够响应于人工控制信号进行手动调整。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

1、本发明提供一种基于无人船分散式编队控制的路径动态规划方法，通过设置参考船作为“领航者”，但参考船只用来生成其他编队成员船运动航线，在实际编队运动时不根据参考船运动状态调整其他船位置，而是船只根据自身到达时间对自身速度航向进行修正，在海上通信质量较差，无人船编队相距距离较远，实际航行时实时性的保障较差的情况下，保证了航行编队的队形稳定。

2、本发明提供一种基于无人船分散式编队控制的路径动态规划方法，将航线划分为数个航段，根据到达时间动态调整，实现了无人船编队航行中队形的动态保持。

附图说明

图1是本发明实施例提供的队形编辑示意图；

图2是本发明实施例提供的编队航线生成示意图；

图3是本发明实施例提供的转弯半径过小导致无法保持队形示意图；

图4是本发明实施例提供的在起始与终止位置保持队形示意图；

图5是本发明实施例提供的编队控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

本实施例介绍一种基于无人船分散式编队控制的路径动态规划方法，包括：

在无人船编队中选择任意一艘船作为参考船，根据参考船的位置，计算得到编队中其他船只的相对位置关系；

设定参考船的航线，根据各船只之间的相对位置关系以及预先编辑的队形，生成编队中其他无人船的航线；

设定参考船的航线数据，计算得到编队其他船只的航线数据，分别存储到对应的无人船上；

进入编队航线后，各无人船根据自身本地存储的航线数据分别行驶，并实时反馈自身位置信息与航段航行数据；

根据各无人船的航行数据计算当前航段实际到达时间，并与预先设定的理论到达时间进行比较，动态调整各船当前航速，使得整个航线保持队形运动。

如图5所示，本实施例提供的基于无人船分散式编队控制的路径动态规划方法，其应用过程具体涉及如下步骤：

1、选择参考船。选择无人船编队中的任意船只作为队形编辑与航线生成的参考，为了计算简单，优先选择船编队相对位置最前方的船作为参考船；

2、规划参考船航线。优先规划参考船航线作为编队中其他无人船航线生成的依据，航线数据由数条航段组成，每条航段包含起始点、到达点、速度、是否为转弯等信息；

3、生成编队中其他船航线。根据队形与参考航线生成编队中其他无人船的航线，同样由数条航段组成，直线时与参考航线对应航段平行，速度相同，转弯时航段直线航段与弧线航段组合而成；

4、统一编队中各无人船本地时间。由于编队中的船之间不直接进行相互数据交互，为了保持编队动作一致性，需要有统一的参考标准，本发明中使用了到达时间作为动态规划的收敛项，为保证算法有效性，必须在航行开始前统一时间；

5、入编队机动。完成上述准备工作后，由指挥中心统一同时向各无人船下达开始指令，各无人船需处于编队航线开始点之前，由于海上洋流影响，船只无法保持位置，需要有一段进入编队航线的前置机动过程；

6、编队航行。进入编队航线后，各无人船根据自身本地存储的航线数据分别行驶，并实施反馈自身位置信息与航段航行状态，指挥中心根据各无人船的航行数据计算当前航段实际到达时间，并与理论到达时间进行比较，动态调整各船当前航速；

7、航行结束。无人船编队按照指定策略航行，直到到达航线终点，到达终点后保持到达的航向减速航行，直至停止，期间指挥中心可手动介入干预，防止船只相互碰撞。

下面结合一个优选实施例，对上述实施例中设计到的内容进行说明。

1)分散式编队控制

海上通信质量较差，无人船编队相距距离较远，实际航行时实时性的保障较差。经过实验论证，为了保证航行编队的队形稳定，应首先保证编队航行中的船只在数据交互受限时任可根据预设路线计划航行，其次根据当前编队航行状态对自身位置进行加减速调整。根据实际应用环境的特点，本发明提出的分散式编队控制方法参考了领航者-跟随者模式与基于路径跟随模式。设置参考船作为“领航者”，但参考船只用来生成其他编队成员船运动航线，在实际编队运动时不根据参考船运动状态调整其他船位置，而是船只根据自身到达时间对自身速度航向进行修正。

对于无人船编队，首先选择任意一艘船作为参考船，根据参考船的位置，可以得到编队中其他船只的相对位置关系，通过这种方式可以确定编队队形中各个船只的位置，如图1所示。

之后可以设定参考船的预定路线，通过参考船的路线以及之前编辑的队形，可以计算得到编队其他成员的航线。设定航线时附带速度参数，通过把总航线分割成不同航段并对各个航段设置不同速度值，可以自定义设置任意的航线形状，如图2所示。

设置航线时只需设置参考船的航线，其余航线可以根据队形计算得出。对于所有的航线，其中的每一个航段都会根据参考航线的路程和速度计算自身的航段速度公式如下。

对于航段S，可以将其分为n个航段S₁,S₂…S_n,使得：

S＝S₁+S₂+…+S_n

设S为参考航线，v₁,v₂…v_n为参考航线上各个航段的速度，则编队成员a的航线上各个航段A₁,A₂…A_n,的速度v_a1,v_a2…v_am可表示为：

以上讨论了直线航行的情况，当航线中出现折线时，由于船只无法做出飞行器或机器人的转向动作，需要根据自身物理性能以一定的转弯半径做弧线运动转弯。由于海上航行的特点与无人船的机械特性，大型无人船只的航线设置一般里程较远，且相对于编队的船距，自身转弯半径无法被忽视，使得船只编队在实际转弯的过程中无法实时保证队形不变，甚至会影响其他船只航行，如图3所示。

考虑到大型船操控的复杂性，且相对于大型无人船的航行距离，转弯的路程可以忽略，在考虑转弯问题时，本算法放弃保证全过程的编队保持，转而通过船只最少的动作保证编队转向起始与结束时刻的编队保持，通过添加与转弯起始与结束的弧线段相切的直线延长线，保证队形在开始于结束位置一致，如图4所示。

在这种方法中，参考航线在转弯后保持航速持续航行一段距离d，d等于参考船与编队最末尾船所在直线的垂线的长度。在参考船开始转向时，编队其他船n进入一段预转向直线航段d_n，到达转向点后按照与d_n时同样的速度沿弧线航段l_n转向，终点为完成转向后队形中所在的位置。此时，编队成员在延长航线与转向过程中的速度v_an为：

通过这样的得方式计算得到的每一条航线会分别下载到对应的无人船上，无人船按照统一的时间作为参照，分别执行各自的航线航行任务，航线计算与方位控制由控制中心统一计算并分配下发，各个无人船之间无需进行数据交流。

2)船只编队运动动态规划

由于海上洋流、风向风速以及无人船自身的加减速性能差异，实际航行中无人船无法完全根据预定的航线与速度行驶。实际编队航行实验过程中，需要对编队中各个无人船的速度进行实时动态调整。本发明提出了根据到达时间为优化目标的动态调整方式。

根据航线规划时的各个航段的路程A_n和设定速度V_n，可以得到当前航段的理论到达时间,通过计算各个航段的到达时间，可以把整条航线的航行过程拆分为n条航段的航行过程。当无人船在航段A_n航行时，可以根据其当前位置计算出当前航段的剩余路程A'_n。根据当前航速V'_n，可以得到实际剩余到达时间t'₀，而理论剩余到达时间t₀可通过V_n得到。通过比较，当t₀大于t'₀时，说明速度较快，需要将速度减少Δv，当t₀小于t'₀时，说明速度较慢，需要将速度增加Δv，Δv的值由实际试验确定。通过调整，最终使得：

这个过程在无人船通过的每个航段实时动态进行，使得每一个航段的t'₀收敛于t₀。只要保证每一个航段的实际到达时间与理论到达时间吻合，就可以保证整个航线可以保持队形运动。实际航行中，在未收到控制中心控制指令时，各条船各自按照自身航线航行。当收到中心指令时，航线不变，航速按照中心发送的新航速前进。

本发明的有益效果：

1)提出了一种分散式编队控制方式，在海上通信质量较差，无人船编队相距距离较远，实际航行时实时性的保障较差的情况下，保证了航行编队的队形稳定。

2)提出了一种船只编队运动动态规划方案，将航线划分为数个航段，根据到达时间动态调整，实现了无人船编队航行中队形的动态保持。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于无人船分散式编队控制的路径动态规划方法，其特征在于，包括：

在无人船编队中选择任意一艘船作为参考船，根据参考船的位置，计算得到编队中其他船只的相对位置关系；

设定参考船的航线，根据各船只之间的相对位置关系以及预先编辑的队形，生成编队中其他无人船的航线；

设定参考船的航线数据，计算得到编队其他船只的航线数据，分别存储到对应的无人船上；

进入编队航线后，各无人船根据自身本地存储的航线数据分别行驶，并实时反馈自身位置信息与航段航行数据；

根据各无人船的航行数据计算当前航段实际到达时间，并与预先设定的理论到达时间进行比较，动态调整各船当前航速，使得整个航线保持队形运动；

折线航行时的计算公式如下：

参考航线在转弯后保持航速持续航行一段距离d，d等于参考船与编队最末尾船所在直线的垂线的长度，在参考船开始转向时，编队其他船n进入一段预转向直线航段，到达转向点后按照与时同样的速度沿弧线航段转向，终点为完成转向后队形中所在的位置，此时，编队成员在延长航线与转向过程中的速度为：，其中，为参考航线上各个航段的设定速度，为航段；

所述根据各无人船的航行数据计算当前航段实际到达时间，并与预先设定的理论到达时间进行比较，动态调整各船当前航速，使得整个航线保持队形运动，包括：

根据航线规划时的各个航段的路程和设定速度，得到当前航段的理论到达时间；

通过计算各个航段的到达时间，把整条航线的航行过程拆分为n条航段的航行过程；

当无人船在各个航段的路程上航行时，根据其当前位置计算出当前航段的剩余路程；

根据当前航速，得到实际剩余到达时间，理论剩余到达时间通过得到，通过比较，当大于时，速度较快，将速度减少，当小于时，速度较慢，将速度增加，的值根据预确定的匹配规则匹配获得，通过调整，最终使得：

；

以上过程在无人船通过的每个航段实时动态进行，使得每一个航段的收敛于；通过保证每一个航段的实际到达时间与理论到达时间吻合，使得整个航线保持队形运动。

2.根据权利要求1所述的基于无人船分散式编队控制的路径动态规划方法，其特征在于，选择无人船编队中相对位置最前方的船只作为参考船。

3.根据权利要求1所述的基于无人船分散式编队控制的路径动态规划方法，其特征在于，所述根据各船只之间的相对位置关系以及预先编辑的队形，生成编队中其他无人船的航线，包括：

直线时与参考航线对应航段平行，转弯时通过添加与转弯起始与结束的弧线段相切的延长航线，保证队形在开始与结束位置一致。

4.根据权利要求1所述的基于无人船分散式编队控制的路径动态规划方法，其特征在于，所述航线数据由数条航段的数据组成，每条航段的数据均包括起始点、到达点、速度、是否为转弯信息。

5.根据权利要求1所述的基于无人船分散式编队控制的路径动态规划方法，其特征在于，统一编队中各无人船的本地时间，采用到达时间作为动态规划的收敛项。

6.根据权利要求1所述的基于无人船分散式编队控制的路径动态规划方法，其特征在于，对于所有的航线，其中的每一个航段都会根据参考航线的路程和速度计算自身的航段速度，其中：直线航行时，每一个航段的速度均与参考航线的速度保持一致，折线航行时，通过添加与转弯起始与结束的弧线段相切的延长航线，计算编队成员在延长航线与转向过程中的速度。

7.根据权利要求6所述的基于无人船分散式编队控制的路径动态规划方法，其特征在于，所述直线航行时的计算公式如下：

对于航段S，将其分为n个航段,使得：

；

设S为参考航线，为参考航线上各个航段的设定速度，则编队成员a的航线上各个航段的路程,的速度表示为：。

8.根据权利要求1所述的基于无人船分散式编队控制的路径动态规划方法，其特征在于，所述无人船编队保持队形运动，直到到达航线终点，到达终点后保持到达的航向减速航行，直至停止，期间无人船能够响应于人工控制信号进行手动调整。