一种基于控制障碍函数的无人艇集群安全目标跟踪系统

技术领域

本发明涉及船舶与海洋工程领域，尤其涉及一种基于控制障碍函数的无人艇集群安全目标跟踪系统。

背景技术

对海洋资源的探索和开发是目前各个国家的发展重点。欠驱动无人艇作为常见的无人自主航行器，具有轻量化、自主化等优点，主要用于执行具有危险性和重复性特点的任务，在海洋运输、海底测绘、海洋测量和海洋监视等领域拥有极大的应用价值。在一般情况下，单艘欠驱动无人艇工作具有工作效率低、工作能力有限等缺点，而多艘欠驱动无人艇集群工作可以改善以上问题。在集群控制中，欠驱动无人艇之间的碰撞以及欠驱动无人艇与环境障碍物的碰撞可能会给欠驱动无人艇的带来毁灭性的损坏，因此对欠驱动无人艇集群避碰的研究具有非常重要的现实意义。

根据任务场景的不同，多欠驱动无人艇的集群控制可以分为路径跟踪控制、轨迹跟踪控制、目标跟踪控制。其中目标跟踪控制是驱动无人艇以期望距离跟踪一个动态未知的目标，在编队运输、编队护航、传感器网络等场景都具有重要应用。针对欠驱动无人艇的目标跟踪控制，国内外学者已经进行了广泛的相关研究，并且提出多种技术方案。然而，结合现有研究结果考虑，目前的多个欠驱动无人艇目标跟踪控制方法仍有以下不足：第一，现有的欠驱动无人艇目标跟踪控制方法大多没有考虑目标跟踪过程中的避碰问题，在实际应用中欠驱动无人艇的避碰问题不可忽视。第二，现有的欠驱动无人艇集群避碰方法大多只考虑了已知的静态障碍物，没有考虑欠驱动无人艇之间的碰撞和欠驱动无人艇与动态障碍物之间的碰撞，因此在实际应用中不能完全的解决欠驱动无人艇的碰撞问题。第三，现有的欠驱动无人艇集群避碰方法中大多需要速度和角速度配合来进行避碰，缺乏灵活性。

发明内容

本发明提供一种基于控制障碍函数的无人艇集群安全目标跟踪系统，以克服现有的目标跟踪系统缺乏灵活性技术问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于控制障碍函数的无人艇集群安全目标跟踪系统，其包括欠驱动无人艇通讯网络、目标跟踪制导律单元、基于二次规划的避碰控制器单元、静态障碍物约束单元、动态障碍物约束单元和邻居无人艇避碰约束单元；

所述目标跟踪制导律单元分别与所述欠驱动无人艇通讯网络、基于二次规划的避碰控制器单元相连接，其用于根据所述欠驱动无人艇通讯网络发送的目标点位置信息、受控欠驱动无人艇的位置信息和航向信息获得该受控无人艇的期望速度和期望角速度；

所述静态障碍物约束单元与所述基于二次规划的避碰控制器单元相连接，其用于根据静态障碍物位置信息、受控欠驱动无人艇的位置信息、受控欠驱动无人艇的航向信息和受控欠驱动无人艇在地球坐标系下的速度信息，获得该受控欠驱动无人艇的静态障碍物约束条件；

所述动态障碍物约束单元与所述基于二次规划的避碰控制器单元相连接，其用于根据动态障碍物位置信息、动态障碍物在地球坐标系下的速度信息、受控欠驱动无人艇的位置信息、受控欠驱动无人艇的航向信息和受控欠驱动无人艇在地球坐标系下的速度信息，获得该受控欠驱动无人艇的动态障碍物约束条件；

所述邻居无人艇避碰约束单元分别与所述欠驱动无人艇通讯网络、基于二次规划的避碰控制器单元相连接，其用于根据邻居欠驱动无人艇的位置信息、邻居欠驱动无人艇在地球坐标系下的速度信息、受控欠驱动无人艇的位置信息、受控欠驱动无人艇的航向信息和受控欠驱动无人艇在地球坐标系下的速度信息，获得邻居无人艇避碰约束条件；

所述基于二次规划的避碰控制器分别与所述目标跟踪制导律单元、静态障碍物约束单元、动态障碍物约束单元和邻居无人艇避碰约束单元相连接，其用于根据前述期望速度和期望角速度、静态障碍物约束条件、动态障碍物约束条件、邻居无人艇避碰约束条件，计算得到基于二次规划的受控欠驱动无人艇用于安全目标跟踪的制导角速度信号和制导前向速度信号并控制该受控欠驱动无人艇执行动作；

所述欠驱动无人艇通讯网络用于将目标点位置发送至受控欠驱动无人艇，同时将邻居欠驱动无人艇的位置信息、邻居欠驱动无人艇在地球坐标系下的速度信息、受控欠驱动无人艇的位置信息、受控欠驱动无人艇的航向信息和受控欠驱动无人艇在地球坐标系下的速度信息发送到邻居无人艇避碰约束单元。

进一步的，所述目标跟踪制导律单元获得受控欠驱动无人艇的期望速度和期望角速度的具体计算公式为：

p

p

ψ

其中，p

进一步的，所述静态障碍物约束单元获得受控欠驱动无人艇的静态障碍物约束条件的具体计算公式为：

p

p

ψ

其中，p

进一步的，所述动态障碍物约束单元获得受控欠驱动无人艇的动态障碍物约束条件的具体计算公式为：

p

p

ψ

其中，p

进一步的，所述邻居无人艇避碰约束单元获得邻居无人艇避碰约束条件的具体计算公式为：

p

ψ

其中，p

进一步的，所述基于二次规划的避碰控制器根据目标函数J(·)、静态障碍物约束条件、动态障碍物约束条件和邻居欠驱动无人艇避碰约束条件，计算受控欠驱动无人艇用于安全目标跟踪的制导角速度信号和制导前向速度信号的具体计算公式为：

其中m＝1，…，M

有益效果：

第一，本发明的一种基于控制障碍函数的无人艇集群安全目标跟踪系统考虑了欠驱动无人艇在目标跟踪过程中的安全问题，可以在完成目标跟踪任务的同时实现实时避碰。

第二，本发明与传统的避碰技术相比考虑了与多种障碍物之间的避碰问题，可以有效的避免与静态障碍物、动态障碍物和邻居欠驱动无人艇之间发生碰撞。

第三，本发明与现有的多数方法相比，只需要对欠驱动无人艇的角速度进行优化控制，使无人艇的前向速度具有灵活性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述的无人艇集群安全目标跟踪系统结构示意图；

图2是实施例所述的四艘欠驱动无人艇的运动轨迹；

图3是实施例所述的四艘欠驱动无人艇的横向跟踪误差变化曲线；

图4是实施例所述的四艘欠驱动无人艇的制导前向速度变化曲线；

图5是实施例所述的四艘欠驱动无人艇的制导角速度变化曲线；

图6是实施例所述的欠驱动无人艇与障碍物之间最小距离变化曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供了一种基于控制障碍函数的无人艇集群安全目标跟踪系统，如图1，包括：欠驱动无人艇通讯网络、目标跟踪制导律单元、基于二次规划的避碰控制器、动态障碍物约束单元、静态障碍物约束单元和邻居无人艇避碰约束单元；

所述目标跟踪制导律单元其用于根据所述欠驱动无人艇通讯网络发送的目标点位置信息(p

所述静态障碍物约束单元其用于根据静态障碍物位置信息、受控欠驱动无人艇的位置信息、受控欠驱动无人艇的航向信息和受控欠驱动无人艇在地球坐标系下的速度信息，获得该受控欠驱动无人艇的静态障碍物约束条件；

所述动态障碍物约束单元其用于根据动态障碍物位置信息、动态障碍物在地球坐标系下的速度信息、受控欠驱动无人艇的位置信息、受控欠驱动无人艇的航向信息和受控欠驱动无人艇在地球坐标系下的速度信息，获得受控欠驱动无人艇的动态障碍物约束条件；

所述邻居无人艇避碰约束单元根据其用于根据邻居欠驱动无人艇的位置信息、邻居欠驱动无人艇在地球坐标系下的速度信息、受控欠驱动无人艇的位置信息、受控欠驱动无人艇的航向信息和受控欠驱动无人艇在地球坐标系下的速度信息，获得邻居无人艇避碰约束条件；

所述基于二次规划的避碰控制器其用于根据前述期望速度和期望角速度、静态障碍物约束条件、动态障碍物约束条件、邻居无人艇避碰约束条件，计算得到基于二次规划的受控欠驱动无人艇用于安全目标跟踪的制导角速度信号和制导前向速度信号并控制该受控欠驱动无人艇执行动作；本案中所指的二次规划是凸优化问题的一种，即控制器根据目标函数和不同障碍物约束条件计算出用于安全航行的制导角速度信号。目标跟踪制导律单元计算的角速度是标称角速度，可以实现从一个点转移到目标点，但是此种角速度不能实现避碰，因此设计了基于二次规划的避碰控制器，其能根据前述约束条件，计算出用于安全航行的制导角速度，该角速度则可以解决对障碍物的避碰问题，可以实现无人艇与障碍物之间不发生碰撞。

所述欠驱动无人艇通讯网络用于将目标点位置发送至受控欠驱动无人艇，同时将邻居欠驱动无人艇的位置信息、邻居欠驱动无人艇在地球坐标系下的速度信息、受控欠驱动无人艇的位置信息、受控欠驱动无人艇的航向信息和受控欠驱动无人艇在地球坐标系下的速度信息发送到邻居无人艇避碰约束单元。

在具体的实施例中，所述受控欠驱动无人艇的运动学模型参数如下：

其中，x

在具体实施例中，所述欠驱动无人艇通讯网络在本集群控制过程中采用星形通讯拓扑结构，即每一艘欠驱动无人船可以从本通讯网络获得所有欠驱动无人艇的信息，并将自己的信息发送到本通讯网络。

在具体实施例中，所述目标跟踪制导律单元获得受控欠驱动无人艇的期望速度和期望角速度的具体计算公式为：

p

p

ψ

其中，p

在具体实施例中，所述静态障碍物约束单元获得受控欠驱动无人艇的静态障碍物约束条件的具体计算公式为：

p

p

ψ

其中，p

在具体实施例中，所述动态障碍物约束单元获得受控欠驱动无人艇的动态障碍物约束条件的具体计算公式为：

p

p

ψ

其中，p

在具体实施例中，所述邻居无人艇避碰约束单元获得邻居无人艇避碰约束条件的具体计算公式为：

p

ψ

其中，p

在具体实施例中，所述基于二次规划的避碰控制器根据目标函数J(·)、静态障碍物约束条件、动态障碍物约束条件和邻居欠驱动无人艇避碰约束条件，计算受控欠驱动无人艇用于安全目标跟踪的制导角速度信号和制导前向速度信号的具体计算公式为：

其中m＝1，…，M

基于前述设计方案，本实例中给出下述控制器参数以满足本发明所描述的控制器结构，具体的如下：

k

对于静态障碍物避碰约束，设计的具体参数如下：

d

由于动态障碍物的避碰情况与邻居欠驱动无人艇避碰情况类似，本实例中没有考虑动态障碍物。

对于群体间障碍物避碰约束，设计的具体参数如下：

d

如图2所示，四艘欠驱动无人艇的初始位置如下：

p

四艘欠驱动无人艇的目标位置如下：

p

基于上述设计参数，对本案的设计方案进行仿真验证，其仿真结果如图2-6所示：图2是四艘欠驱动无人艇的运动轨迹图，图中四个实心圆形表示静态障碍物。从图中可以看出四艘欠驱动无人艇均能够顺利避开在航行过程中遇到的静态障碍物和邻居欠驱动无人艇，实现安全目标跟踪。图3是四艘欠驱动无人艇横向跟踪误差变化曲线，可以看出四艘欠驱动无人艇的横向跟踪误差最终减小到0，说明四艘欠驱动无人船都到达了目标位置。图4是四艘欠驱动无人艇的前向制导速度变化曲线，图中可以看出欠驱动无人艇的制导前向速度在一定范围之内且速度准确，到达目标位置时速度降低到0，保证欠驱动无人艇能够停在目标点位置。图5是四艘欠驱动无人艇的制导角速度变化曲线，图中可以看出欠驱动无人艇在遇到障碍物时，避碰角速度有了明显的变化。图6是四艘欠驱动无人艇在安全目标跟踪过程中与静态障碍物和邻居欠驱动无人艇之间的最小距离变化曲线，可以看出，最小距离始终保证大于设定的欠驱动无人艇与障碍物之间避碰时允许的最小距离，保证欠驱动无人艇不与静态障碍物和邻居无人艇发生碰撞。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。