一种水下无人航行器编队的队形控制方法

摘要

本发明公开了一种水下无人航行器编队的队形控制方法，包括如下步骤：步骤一：建立虚拟吸力势场以及虚拟斥力势场；步骤二：编队中各航行器实时获取自身的运动参数信息并发送至编队控制平台；步骤三：编队控制平台根据所述运动参数信息、虚拟吸力势场的零势点以及虚拟斥力势场的零势点计算各航行器的吸力的大小方向以及斥力的大小方向；步骤四：编队控制平台根据所述吸力的大小方向以及斥力的大小方向计算各航行器的校正量并将所述校正量分别发送给各航行器；步骤五：各航行器接收所述校正量后根据所述校正量调整航行参数。使用本发明的水下无人航行器编队的队形控制方法，能够更好的反应编队中航行器之间的相对位置关系。

说明书

技术领域

本发明涉及水下无人航行器控制领域，更具体地，涉及一种水下无人航行器编队的队形控制方法。

背景技术

随着世界经济与海洋科技的迅猛发展，海洋资源的开发利用及海洋军事科技的研究已成为主旋律，在执行海洋探测任务时，多利用水下无人航行器进行作业，但是利用单台水下航行器进行观探测的范围有效、能源有限，不利于大范围的进行特定作业任务，所以利用多台水下航行器进行编队来执行复杂任务已经成为当前无人航行器集群控制的热点。

水下航行器编队运行过程中，在复杂海况下需要保持各平台的相对位置，以保证能够高效率的完成作业任务。现有的水下航行器编队控制过程中，需要需要实时获取各个航行器之间的相对位置，并根据该相对位置调整各航行器的航行参数，以避免航行器之间碰撞，然而相对位置精确获取较为困难，且大大增加了控制平台的数据运算量，不利于在复杂的海域环境中使用。

因此，需要一种针对水下无人航行器编队的队形控制方法，能够方便的对各个航行器进行位置的控制。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种水下无人航行器编队的队形控制的新技术方案。

根据本发明的第一方面，提供了一种水下无人航行器编队的队形控制方法，包括如下步骤：

步骤一：在编队中建立虚拟吸力势场和/或虚拟斥力势场；

步骤二：编队中各航行器实时获取自身的运动参数信息并发送至编队控制平台；

步骤三：编队控制平台根据所述运动参数信息、虚拟吸力势场的零势点和/或虚拟斥力势场的零势点计算各航行器的吸力的大小方向和/或斥力的大小方向；

步骤四：编队控制平台根据所述吸力的大小方向和/或斥力的大小方向计算各航行器的校正量并将所述校正量分别发送给相应的航行器；

步骤五：相应的航行器接收所述校正量后根据所述校正量调整航行参数。

优选地，在步骤一中，以每个航行器的目标位置作为虚拟吸力势场的零势点均建立一个虚拟吸力势场，每个航行器均被相应的虚拟吸力势场的零势点吸引；并且以每个航行器的实际位置作为虚拟斥力势场的零势点均建立一个虚拟斥力势场，每个航行器均被相邻的虚拟斥力势场的零势点排斥。

优选地，航行器的目标位置由所述编队控制平台的实际位置以及航行器编队的队形结构计算得出。

优选地，所述虚拟吸力势场的零势点相较于所述实际位置的方位作为吸力的方向，吸力的大小与所述虚拟吸力势场的零势点相较于所述实际位置的距离正相关；相邻的所述虚拟斥力势场的零势点之间的方向作为斥力的方向，斥力的大小与所述虚拟斥力势场的零势点之间的距离负相关。

优选地，所述虚拟斥力势场设置有有效半径，当两个航行器之间的距离大于所述有效半径时，虚拟斥力为零；当两个航行器之间的距离接触时，虚拟斥力为无穷大。

优选地，在步骤二中，各航行器与控制平台之间能够无线通讯，所述运动参数信息至少包括航行器的位置信息、速度信息以及航向信息。

优选地，所述编队控制平台接收所述运动参数信息时，首先对所述运动参数信息进行低频滤波处理，并将所述运动参数信息进行统一格式化处理后再进行各航行器的吸力和斥力的计算。

优选地，所述校正量至少包括速度校正量以及方位校正量，所述航行器根据所述速度校正量调整俯仰电机和排油量，根据方位校正量调整横滚电机的转速。

优选地，还包括如下步骤：编队中各航行器实时获取自身的异常情况信息并发送至编队控制平台，所述编队控制平台根据所述异常情况信息处理航行器的异常情况。

优选地，所述编队控制平台位于航行器编队中。

根据本公开的一个实施例，使用本发明的水下无人航行器编队的队形控制方法，能够更好的反应编队中航行器之间的相对位置关系，通过目标位置对航行器的吸引力关系以及航行器之间的斥力关系，能够方便编队控制平台对编队中各航行器的控制，以更好的保持队形，避免航行器之间的碰撞；各航行器仅需发送运动参数信息并接收校正量即可，无需占用过多的运算资源，有助于更好的完成海洋探测任务。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明实施例的水下无人航行器编队的队形控制方法流程图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

实施例

本实施例中的水下无人航行器编队的队形控制方法，主要包括如下步骤：

S1100：在编队中建立虚拟吸力势场以及虚拟斥力势场；

在该步骤中，以每个航行器的目标位置作为虚拟吸力势场的零势点均建立一个虚拟吸力势场，每个航行器均被相应的虚拟吸力势场的零势点吸引，以保持每个航行器自身的位置；以每个航行器的实际位置作为虚拟斥力势场的零势点均建立一个虚拟斥力势场，每个航行器均被相邻的虚拟斥力势场的零势点排斥，避免航行器之间因为距离过近而发生碰撞危险。

其中，航行器的目标位置由所述编队控制平台的实际位置以及航行器编队的队形结构计算得出；在预先编好的队形中，每个航行器相对于编队的控制平台都具有固定的目标位置，在编队航行过程中，编队控制平台的实际位置确定后，便能够确定各个航行器的目标位置。

该虚拟斥力势场设置有有效半径，当两个航行器之间的距离大于所述有效半径时，虚拟斥力为零；当两个航行器之间的距离接触时，虚拟斥力为无穷大。

可以仅建立虚拟吸力势场或者虚拟斥力势场，在本实施例中，为保证编队中各航行器的位置准确性以及避免航行器的碰撞，提高编队的控制效果，同时建立虚拟吸力势场以及虚拟斥力势场。

编队控制平台位于航行器编队中，一般位于编队的中间位置，便于发送指令和接受其他从属航行器发送的参数信息。

S1200：编队中各航行器实时获取自身的运动参数信息并发送至编队控制平台；

在该步骤中，各航行器与控制平台之间能够无线通讯，该通讯例如是水声通讯和/或卫星通讯；所述运动参数信息至少包括航行器的位置信息、速度信息以及航向信息，该运动参数信息均有各航行器中的传感器检测得出；

在发送遇到弄参数信息至编队控制平台前，首先将各中信息转变为编队的统一格式，使各个平台所发出的信息中变量单位一致，数据类型一致，以便于编队控制平台的接收与处理。

S1300：编队控制平台根据所述运动参数信息、虚拟吸力势场的零势点以及虚拟斥力势场的零势点计算各航行器的吸力的大小方向以及斥力的大小方向；

在该步骤中，所述虚拟吸力势场的零势点相较于所述实际位置的方位作为吸力的方向，吸力的大小与所述虚拟吸力势场的零势点相较于所述实际位置的距离正相关；相邻的所述虚拟斥力势场的零势点之间的方向作为斥力的方向，斥力的大小与所述虚拟斥力势场的零势点之间的距离负相关。

以编队中各成员实际位置与设定目标位置之间的偏差为自变量，随着两者距离增大吸引势能增加随着两者距离减小吸引势能减小，当偏差为零时吸引势能也为零。

S1400：编队控制平台根据所述吸力的大小方向以及斥力的大小方向计算各航行器的校正量并将所述校正量分别发送给各航行器；

在该步骤中，编队控制平台通过水声通讯或卫星通讯将计算得到的校正量传送给各水下无人航行器，该校正量至少包括速度校正量和方位校正量。

例如，根据吸力或斥力的方向来计算水下无人航行器的方位校正量时，控制横滚电机和俯仰电机的角度及旋转方向，来控制该水下无人航行器朝向吸力零势点运动或者远离斥力零势点，以保证水下无人航行器的正确位置和避免相撞；该校正量根据吸力或斥力的方向来换算成横滚电机和俯仰电机所需要调整的角度，以保证无人航行器能够在预期时间内回归设定位置。

根据吸力和斥力的大小来计算速度校正量时，当吸力或斥力越大，则调整水下无人航行器的速度变化量越大，当吸力或斥力越小，则仅需对水下无人航行器的速度进行微调即可，速度的大小调节通过水下无人航行器的主螺旋桨旋转速度来控制。

当吸力或斥力的方向与理论航行方向相同或相反时，仅需要对水下无人航行器的速度进行校正即可，例如通过加速或减速实现水下无人航行器的位置调整；当吸力或斥力的方向与理论航行方向呈一定夹角时，需要对横滚电机和俯仰电机进行调整。

S1500：各航行器接收所述校正量后根据所述校正量调整航行参数。

在该步骤中，所述航行器通过水声通讯或卫星通讯接收到校正量后，根据所述速度校正量调整俯仰电机和排油量，根据方位校正量调整横滚电机的转速。

在本实施例或其他实施例中，所述编队控制平台接收所述运动参数信息时，首先对所述运动参数信息进行低频滤波处理，以去除水声通信过程中的野值，并将所述运动参数信息进行统一格式化处理后再进行各航行器的吸力和斥力的计算。

在建立虚拟势场时，以编队中各成员实际位置与设定目标位置之间的偏差为自变量建立虚拟吸力势场函数如下公式。公式(1)表示，虚拟吸力势场函数随着两者距离增大吸引势能增加，随着编队成员两者距离减小吸引势能减小，当偏差为零时吸引势能也为零。

其中，U

由此产生的吸引力为吸引力势场的负梯度，F

公式(2)表示，虚拟吸力势场函数与虚拟吸力值之间的关系，同样随着编队成员两者距离增大吸引力数值增加，随着两者距离减小吸引力数值减小，当偏差为零时吸引力数值也为零。

建立斥力势场函数，以编队中成员为中心AUG

其中，U

由此产生的斥力为斥力势场的负梯度，F

公式(4)表示，编队成员随着两者距离增大斥力数值减小，当两者超过r

水下航行器编队各成员按照所设计的人工吸引力势场和斥力势场，及时调整各自在编队中所处的位置，从而保持自身与周围邻居成员之间的距离，又能按照设定的队形结构稳定运行。

在本实施例或其他实施例中，编队中各航行器实时获取自身的运动参数信息并发送至编队控制平台的步骤中，还包括：编队中各航行器实时获取自身的异常情况信息并发送至编队控制平台，所述编队控制平台根据所述异常情况信息处理航行器的异常情况；在该步骤中，本控制周期结束前，需要对编队运行异常情况进行及时处理，如水声通信出现异常，切换到卫星通信模式，并调整这个控制频率；如编队中心控制器出现问题，将编队控制权限移交给岸基指控平台。若无任何异常，再进行下一个控制周期。

使用本发明的水下无人航行器编队的队形控制方法，能够更好的反应编队中航行器之间的相对位置关系，通过目标位置对航行器的吸引力关系以及航行器之间的斥力关系，能够方便编队控制平台对编队中各航行器的控制，以更好的保持队形，避免航行器之间的碰撞；

各航行器仅需发送运动参数信息并接收校正量即可，无需占用过多的运算资源，有助于航行器利用更多的运算资源更好的完成海洋探测任务；

该方法计算简单，便于实现实时控制，以每个编队成员平台自身为势场零势点，构建每个平台的人工势场，用于调整编队各成员间距，相较于传统的以编队中心平台作为固定的势场零点，能够更好的避免航行器之间的碰撞，尤其是便于对于除编队中心平台之外的航行器之间的距离控制。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。