一种可实现同步目标接近的多潜器协同路径规划方法

技术领域

本发明涉及多智能体协同控制技术领域，尤其涉及一种可实现同步目标接近的多潜器协同路径规划方法。

背景技术

水下潜器凭借其自主性高、移动范围广等优势，已逐渐成为海洋开发的主要凭借。在潜器执行任务过程中，对于目标的持续接近是一项基本功能，可引导潜器逐渐向目标移动，以达到作业、信息采集等目的。持续接近功能的实现通常是基于路径规划，合理的路径规划是提升潜器接近效率的前提。同时，随着多潜器协同在作业效率和鲁棒性等方面的优势，各潜器的协同作业需保证各潜器的实施进度相同。也就意味着，多潜器路径规划需保证其接近目标的进度尽可能相仿。这在一些场景中至关重要，如接近易受惊的鱼类或非合作的目标等。此外，由于水下环境恶劣，多潜器间的连接性也需被考虑，以保证多潜器的稳定协同。因此，在保证潜器间连接性的前提下，如何合理规划多潜器的航行路径，以保证其同步接近目标是提升潜器作业效率的关键。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种可实现同步目标接近的多潜器协同路径规划方法。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是在保证潜器间连接性的前提下，如何合理规划多潜器的航行路径，保证其同步接近目标，以提升潜器作业效率。

为实现上述目的，本发明提供了一种可实现同步目标接近的多潜器协同路径规划方法，包括以下步骤：

步骤1：多潜器协同系统中各潜器对自身设备进行初始化、传感器校准操作后，开始下水航行；

步骤2：多潜器协同系统在时刻t发现目标，启动协同目标接近功能，开始进行协同路径规划；

步骤3：各潜器生成当前时刻t用于协同路径规划的候选位置并传输至承担解算任务的潜器；

步骤4：承担解算任务的潜器构建在时刻t位置选择对应的凸优化问题；产生与各潜器生成的所有候选位置一一对应的位置选择向量作为凸优化问题的优化变量，并基于费舍尔信息矩阵建立提升目标位置估计精度的优化目标函数，并从对目标的持续接近、潜器的运动能力、潜器总数以及选择向量取值范围角度构建凸优化约束，最终形成在时刻t用于位置选择对应的凸优化问题；

步骤5：承担解算任务的潜器使用凸优化求解器对步骤4中建立的凸优化问题进行求解，得到各潜器在时刻(t+1)的理想位置以及理想位置对应的航向；理想位置为选择向量中数值为1的元素所对应的候选位置；

步骤6：各潜器从承担解算任务的潜器接收各自在时刻t规划得到的航向，并按规划航向航行，最终抵达时刻(t+1)的理想位置，此时，若抵达目标，则停止规划开始作业；若未抵达目标，则返回执行步骤3；

步骤7：各潜器抵达目标，结束路径规划。

进一步地，步骤3具体包括：

步骤3.1：定义第i个潜器在时刻t的坐标为

第m个候选位置的计算基于潜器当前的速度和航向信息，使用航迹推算法基本原理，进行计算；

步骤3.2：在所有潜器均完成各自候选位置的计算后，将所有候选位置汇聚至执行解算的潜器；

在“领航者-跟随者”的多潜器系统框架中，由领航者潜器承担解算任务；在“并行式”的多潜器系统框架中，任选一潜器或各潜器轮流承担解算任务。

进一步地，候选位置计算具体如下：

其中，

进一步地，

和/>

其中，第i个潜器在时刻t与目标在俯仰和偏航方向的角度分别为

进一步地，步骤4具体包括：

步骤4.1：设定所有潜器编号包含于集合A；针对第i个潜器，位置选择向量为

将时刻t的位置选择凸优化问题构建为如下形式：

其中，Γ

其中

因凸优化问题中约束

步骤4.2：根据当前时刻t潜器航行的情况确定潜器间位置选择是否需要考虑目标接近进度的同步。

步骤4.3：根据当前时刻t潜器航行的情况确定潜器间位置选择是否考虑连接性保持。

进一步地，步骤4.2具体包括：

将集合A细分为两个集合

其中，

在时刻t，若

进一步地，步骤4.2中，若当前时刻t需考虑潜器间的进度同步，则在凸优化问题中加入如下约束：

其中，

进一步地，步骤4.3中，

从潜器间最大通信距离和潜器尾流两方面判断是否考虑连接性保持：

对于第i和第j个潜器，若当前二潜器间距离测量

若第i个潜器到第j个潜器的在俯仰和偏航方向的方位角度测量

进一步地，若需要考虑最大通信距离，则在凸优化问题中加入如下约束：

其中，

若需要考虑尾流影响，则将凸优化问题中的约束

其中，

进一步地，步骤5中，

各潜器在时刻(t+1)的理想位置为

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：本发明将多潜器的协同路径规划问题转化为各个潜器在每一时刻的位置选择问题。各潜器在每一时刻通过选择其下一时刻的理想航行位置，实现路径规划。对于每一时刻的位置选择，本发明将其建模为凸优化问题，总体考虑了在目标接近过程中的同时到达、目标跟踪精度、潜器机动能力和连接性保持等方面。通过成熟的凸优化求解器对路径规划问题进行求解，无需使用专用求解器；同时也使本发明具有优秀的时效性，可在满足时效性的同时，生成最优路径。本发明中，实际每一时刻的路径规划中均通过求解凸优化问题予以实现。通过选择在凸优化问题中是否包含连接性保持相关的凸约束，来决定在本次规划中是否考虑潜器间的连接性保持问题。在实际使用中具有较高的灵活性。本发明通过在求解凸优化问题过程中加入凸约束，达到应对突发干扰的目的，可保证本发明所规划的路径具备应对水下航行过程中非预期干扰的能力，保证本发明在实际恶劣、未知的水下环境中具有较好的适应能力。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的一种可实现同步目标接近的多潜器协同路径规划方法的流程图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1所示，具体的协同路径规划问题执行步骤共分为7步，其中步骤3-6应在每一时刻循环执行，直至潜器抵达目标。具体执行步骤如下：

步骤1：多潜器协同系统中各潜器对自身设备进行初始化、传感器校准等操作后，开始下水航行。

步骤2：多潜器协同系统在时刻t发现目标，启动协同目标接近功能，开始进行协同路径规划。

步骤3：各潜器生成当前时刻t用于协同路径规划的候选位置并传输至承担解算任务的潜器。

步骤3.1：以第i个潜器为例，考虑第i个潜器在时刻t的坐标为

在此基础上，基于潜器当前的速度和航向等信息，进行候选位置计算，具体如下所示：

其中，

对/>

和/>

其中，Δγ和Δθ为角度选取间隔，具体数值由所有候选位置的覆盖角度和候选位置个数M

步骤3.2：在所有潜器均完成各自候选位置的计算后，将所有候选位置汇聚至执行解算的潜器。在“领航者-跟随者”的多潜器系统框架中，通常由领航者潜器承担解算任务；在“并行式”的多潜器系统框架中，可任选一潜器或各潜器轮流承担解算任务。

步骤4：构建在时刻t位置选择对应的凸优化问题，产生与各潜器生成的所有候选位置一一对应的位置选择向量作为凸优化问题的优化变量，并基于费舍尔信息矩阵和凸优化中最小化最大特征跟的“E-最优设计”准则建立提升目标位置估计精度的优化目标函数，并从对目标的持续接近、潜器的运动能力、潜器总数以及选择向量取值范围角度构建凸优化约束，最终形成在时刻t用于位置选择对应的凸优化问题。具体步骤如下：

步骤4.1：考虑所有潜器编号包含于集合A。针对第i个潜器，位置选择向量为

因此，可将时刻t的位置选择凸优化问题构建为如下形式：

其中，Γ

其中

考虑到凸优化问题中约束

步骤4.2：根据当前时刻t潜器航行的情况确定潜器间位置选择是否需要考虑目标接近进度的同步。将集合A细分为两个集合

以第i个潜器为例，

其中，

在时刻t，若

若当前时刻需考虑潜器间的进度同步，则在凸优化问题中加入如下约束：

其中，

步骤4.3：根据当前时刻t潜器航行的情况确定潜器间位置选择是否需要考虑连接性保持。本发明在连接性层面，主要考虑潜器之间的最大通信距离和潜器尾流对连接性的影响。

以第i和第j个潜器为例，若当前二潜器间距离测量

若需要考虑最大通信距离，则在凸优化问题中加入如下约束：

其中，

若需要考虑尾流影响，则将凸优化问题中的约束

其中，

步骤5：使用凸优化求解器对步骤4中建立的凸优化问题进行求解，得到最终的选择向量(ω

步骤6：各潜器从承担解算任务的潜器接收各自在时刻t规划得到的航向，并按规划航向航行，最终抵达时刻(t+1)的理想位置。此时，若抵达目标，则停止规划开始作业；若未抵达目标，则返回执行步骤3。

步骤7：各潜器抵达目标，结束路径规划。

本发明提供的路径规划方法针对多潜器集群系统，为实现潜器间的有效协同，各潜器需配备水声通信模块与水声测量模块，以实现潜器间的通信与相对测量；同时，也需具备基本的目标探测与测量能力，用于支撑对目标位置的感知与测量；此外，为实现潜器自身的姿态和运动控制，各潜器需装备惯性测量单元、深度传感器、控制与动力模块等基本航行支撑设备。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。