一种无人艇集群的抗扰动分布式协同控制方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术提出一种无人艇集群的抗扰动分布式协同控制方法与装置，包括如下步骤：1)分配无人艇并且实时探测目标对象；2)集群中各无人艇实时获取目标对象和在其通信范围内的无人艇的位置信息和速度信息；3)根据所述信息实时构建所述任务执行中用于最优无人艇选择的判定等式；4)在所述无人艇集群抗扰动分布式协同任务执行系统的约束下，根据所述规则及标准二次规划方法确定分配无人艇集群的控制信号；5)根据所述控制信号实时识别无人艇与目标对象的运动坐标系，完成所执行任务。本方法通过协同控制实现对多目标的追踪等任务，提高了工作效率和执行任务的成功率；利用有限通信的分布式设计拓宽了无人艇集群系统的范围，减少了系统的计算负担。

A Distributed Anti-disturbance Cooperative Control Method and Device for Unmanned Vehicle Cluster

【技术实现步骤摘要】
一种无人艇集群的抗扰动分布式协同控制方法与装置
本专利技术涉及分布式协同控制领域，具体涉及一种无人艇集群的抗扰动分布式协同控制方法与装置。
技术介绍
无人艇是一种具有全自主感知、运行能力的水面艇。其具有体积小、航速高、续航能力强、操控性强、反应迅速等特点。无人艇在宽阔的河域和海域中，能完成水质监测、巡航追踪等任务。同时也能在未来的战争中，完成情报侦查、武力打击等特殊任务。无人艇技术受到了各国的重视，开展无人艇协同作业研究具有重要意义。协同作业的无人艇集群能提高探测范围、提升作业效率。同时无人艇集群能在复杂度高的环境下执行多任务，具有不可忽视的优势。例如，针对敌船闯入我方海域、违法捕鱼等情况，可依靠无人艇分布式控制围追并驱逐。然而敌船被发现时运动形式不固定，无人艇执行任务中接收信息的内部误差以及外界环境等干扰因素不确定，并且敌船也会随着围捕情况进行相应的变化，从而对无人艇围捕敌船造成了很大难度。因此，亟需一种精度更高、稳定性更强的无人艇集群的抗扰动任务执行系统。对于无人艇集群任务执行系统而言，由于系统中各个无人艇之间受到方位不定、间隔距离、通信负载的限制，通常不具有全局通信的能力。然而，在大规模工作环境中，倘若采用了全局通信的通信拓扑结构，该系统可能会因为无人艇集群数量较多使得通信负载过大从而致使通信系统的崩溃，进而导致整个无人艇集群协同执行任务的失败。而采用分布式通信拓扑结构的无人艇集群的抗扰动任务执行系统只需使各无人艇与其临近的无人艇进行通信，即使出现某些局部通信失败，整个无人艇集群的抗扰动任务执行系统也能正常工作。
技术实现思路
本专利技术提出一种无人艇集群的抗扰动分布式协同控制方法与装置，旨在解决在扰动存在、通信受限的情况下实现无人艇集群的抗扰动分布式协同控制，并使系统内所有无人艇在执行任务时效率与精确度均达到最优化。本专利技术实施例第一方面提供了一种无人艇集群的抗扰动分布式协同任务中对于最优无人艇的选择方法；所述无人艇集群的抗扰动分布式协同任务中对于最优无人艇的选择方法包括：获取所述目标对象和集群中各无人艇的位置、速度等信息；按照所述无人艇集群的抗扰动分布式协同控制规则对集群中的无人艇进行最优化选择；所述无人艇集群的抗扰动分布式协同任务中用于最优无人艇选择的判定等式为：其中，vi＝fi(zi)为输入向量v的第i个元素(i＝1，2，3，…，n)，其作为所述无人艇集群的抗扰动分布式协同控制中用于最优无人艇选择的输入信息，表征集群中各无人艇的任务分配权重；该任务分配权重由zi决定，zi表示判定最优无人艇选择的影响因素，包括：集群无人艇与目标对象的相对速度、相对位置、集群无人艇的执行能力、功能设计等；ωi为输出向量ω的第i个元素，表征控制集群无人艇是否被用于执行任务的开关信息指令，且ω∈{0，1}n作为无人艇集群的抗扰动分布式协同任务执行系统的不等式约束条件；所述等式成立的条件为：条件1：如果vi属于输入向量v中的前k个最大的元素，即对应集群无人艇中任务分配权重最大的k艘无人艇，此时相应的输出元素ωi＝f(vi)＝1，该k艘无人艇用于执行任务，条件2：反之输出元素ωi＝f(vi)＝0，无人艇保持静止并继续监测新的目标对象；集群无人艇执行任务涉及多方面，如围追、跟踪和救援等。本专利技术实施例第二方面提供了一种无人艇集群的抗扰动分布式协同控制方法，其特征在于，所述无人艇集群的抗扰动分布式协同任务执行系统包括多个用于执行任务的无人艇及不多于无人艇数量的目标对象，所述无人艇集群的抗扰动分布式协同任务执行系统内的无人艇在通信拓扑图中连通；所述控制方法包括如下步骤：分配无人艇并且实时探测和感知目标对象；实时获取所述目标对象的位置和速度等信息；集群中各无人艇实时获取在其通信范围内的无人艇的位置和速度等信息，所述各无人艇在通信拓扑图中连通；根据所述目标对象和无人艇的位置、速度等信息，按照预设的规则实时构建所述无人艇集群的抗扰动分布式协同任务中用于最优无人艇选择的判定等式；在所述无人艇集群的抗扰动分布式协同任务执行系统的约束下，根据二次型优化和标准二次规划方法确定分配无人艇集群的控制信号；根据所述控制信号实时选择出集群中任务分配权重最大的k艘无人艇执行任务，其余无人艇保持静止并等待下一个目标对象的出现，并实时识别无人艇与目标对象的运动坐标系，直至无人艇与目标对象的运动坐标系重合，从而实现抗扰动分布式协同无人艇对目标对象的围捕、跟踪、救援等。本专利技术实施例第三方面提供了一种无人艇集群的抗扰动分布式协同控制装置，其特征在于，所述无人艇集群的抗扰动分布式协同任务执行系统包括多个用于执行任务的无人艇及不多于无人艇数量的目标对象，所述系统内的各无人艇在通信拓扑图中连通；所述控制装置包括：无人艇信息获取模块，用于探测和感知目标对象并获取所述目标对象的位置、速度等信息；临近无人艇信息获取模块，用于获取与各个无人艇可以实现有限通信的临近无人艇的位置和速度等信息，所述无人艇集群的抗扰动分布式协同任务执行系统内的无人艇在通信拓扑图中连通；等式构建模块，用于根据所述实时位置、速度等信息确定用于最优无人艇选择的判定等式所对应的任务分配权重，进而对所分配用于执行任务的无人艇进行选择以满足距离最近、性能最优的特点，以此选择结果作为输入信息构建所述无人艇集群的抗扰动分布式协同任务中用于最优无人艇选择的判定等式；约束构建模块，用于根据所述位置、速度等信息，按照预设的规则构建所述目标对象与用于执行任务的无人艇集群所对应的输出等式和不等式的约束；控制信号确定模块，用于在无人艇集群执行任务的输出等式和不等式的约束下，根据二次型优化和标准二次规划方法确定分配无人艇集群的控制信号；无人艇控制模块，用于根据所述位置、速度等信息，所述标准二次规划方法，以及所述构建的等式和不等式约束，实现无人艇集群的抗扰动分布式协同控制。利用本专利技术实施例提出的分布式协同控制方法，鉴于集群中各无人艇只需与较少数量的临近无人艇进行通信，因而大大减小了该无人艇集群的抗扰动分布式协同任务执行系统的通信负载和计算负担，最终在通信受限的情况下实现无人艇集群执行任务的分布式协同控制，且能够在侦测误差以及外界环境干扰存在的情况下使整个无人艇集群的抗扰动分布式协同任务执行系统中所有无人艇执行任务的效率与准确性均达到最优化。附图说明图1为本专利技术实施例中一种无人艇集群的抗扰动分布式协同控制方法一个实施例的流程图；图2为图1中步骤101的一个实施例的具体流程图；图3为图1中步骤104的一个实施例的具体流程图；图4为图1中步骤105的一个实施例的具体流程图；图5为本专利技术实施例中一种无人艇集群的抗扰动分布式协同控制装置的一个实施例的结构图；具体实施方式本专利技术提出一种无人艇集群的抗扰动分布式协同控制方法与装置，旨在解决在扰动存在、通信受限的情况下实现无人艇集群的抗扰动分布式协同控制，并使系统内所有无人艇在执行任务时效率与精确度均达到最优化。在整个无人艇集群的抗扰动分布式协同控制过程中，我们均采用以下无人艇的抗扰动分布式协同控制规则来实现执行任务的最优化。所述无人艇集群的抗扰动分布式协同任务中对于最优无人艇的选择方法包括：获取所述目标对象和集群中各无人艇的位置信息；按照所述无人艇集群的抗扰动分布式协同控制规则对集群中的无本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人艇集群的抗扰动分布式协同控制方法与装置，其特征在于，根据所述目标对象和无人艇的位置、速度等信息构建所述无人艇集群的抗扰动分布式协同任务中用于最优无人艇选择的判定等式；所述无人艇集群的抗扰动分布式协同任务中对于最优无人艇的选择方法包括：获取所述目标对象和集群中各无人艇的位置、速度等信息；按照所述无人艇集群的抗扰动分布式协同控制规则对集群中的无人艇进行最优化选择；所述无人艇集群的抗扰动分布式协同任务中用于最优无人艇选择的判定等式为：

【技术特征摘要】
1.一种无人艇集群的抗扰动分布式协同控制方法与装置，其特征在于，根据所述目标对象和无人艇的位置、速度等信息构建所述无人艇集群的抗扰动分布式协同任务中用于最优无人艇选择的判定等式；所述无人艇集群的抗扰动分布式协同任务中对于最优无人艇的选择方法包括：获取所述目标对象和集群中各无人艇的位置、速度等信息；按照所述无人艇集群的抗扰动分布式协同控制规则对集群中的无人艇进行最优化选择；所述无人艇集群的抗扰动分布式协同任务中用于最优无人艇选择的判定等式为：其中，vi＝fi(zi)为输入向量v的第i个元素(i＝1，2，3，…，n)，其作为所述无人艇集群的抗扰动分布式协同控制中用于最优无人艇选择的输入信息，表征集群中各无人艇的任务分配权重；该任务分配权重由zi决定，zi表示判定最优无人艇选择的影响因素，包括：集群无人艇与目标对象的相对速度、相对位置、集群无人艇的执行能力、功能设计等；ωi为输出向量ω的第i个元素，表征控制集群无人艇是否被用于执行任务的开关信息指令，且ω∈{0，1}n作为无人艇集群的抗扰动分布式协同任务执行系统的不等式约束条件；所述等式成立的条件为：条件1：如果vi属于输入向量v中的前k个最大的元素，即对应集群无人艇中任务分配权重最大的k艘无人艇，此时相应的输出元素ωi＝f(vi)＝1，该k艘无人艇用于执行任务，条件2：反之输出元素ωi＝f(vi)＝0，无人艇保持静止并继续监测新的目标对象；集群无人艇执行任务涉及多方面，如围追、跟踪和救援等。2.根据权利要求1所述的一种无人艇集群的抗扰动分布式协同控制方法与装置，其特征在于，所述无人艇集群的抗扰动分布式协同任务执行系统包括多个用于执行任务的无人艇及不多于无人艇数量的目标对象，所述无人艇集群的抗扰动分布式协同任务执行系统内的无人艇在通信拓扑图中连通；所述控制方法包括如下步骤：分配无人艇并且实时探测和感知目标对象；实时获取所述目标对象的位置和速度等信息；集群中各无人艇实时获取在其通信范围内的无人艇的位置和速度等信息，所述各无人艇在通信拓扑图中连通；根据所述目标对象和无人艇的位置、速度等信息，按照预设的规则实时构建所述无人艇集群的抗扰动分布式协同任务中用于最优无人艇选择的判定等式；在所述无人艇集群的抗扰动分布式协同任务执行系统的约束下，根据二次型优化和标准二次规划方法确定分配无人艇集群的控制信号；根据所述控制信号实时选择出集群中任务分配权重最大的k艘无人艇执行任务，其余无人艇保持静止并等待下一个目标对象的出现，并实时识别无人艇与目标对象的运动坐标系，直至无人艇与目标对象的运动坐标系重合，从而实现抗扰动分布式协同无人艇对目标对象的围捕、跟踪、救援等。3.根据权利要求2所述的一种无人艇集群的抗扰动分布式协同控制方法与装置，其特征在于，分配无人艇并且实时探测和感知目标对象具体为：实时获取所述目标对象的位置和速度等信息；根据目标对象的类型分配不同类型的无人艇，将无人艇与目标对象间的相对位置、速度信息、无人艇的执行能力、功能设计等作为分配的考虑因素，综合所述分配的考虑因素构成用于最优无人艇选择的任务分配权重vi＝fi(zi)；根据目标对象的数量分配不同数量的无人艇，对于每个目标对象设置k艘无人艇用于任务执行；集群无人艇中任务分配权重最大的k艘无人艇被用于执行任务，其余无人艇静止并继续监测目标对象等待执行任务。4.根据权利要求3所述的一种无人艇集群的抗扰动分布式协同控制方法与装置，其特征在于，所述用于最优无人艇选择的判定等式通过以下步骤确定：实时获取所述目标对象的位置和速度等信息；集群中各无人艇实时获取在其通信范围内的无人艇的位置和速度等信息，所述各无人艇在通信拓扑图中连通；根据所述目标对象和无人艇的位置、速度等信息，实时构建所述用于最优无人艇选择的判定等式对应的任务分配权重；无人艇监测目标对象并实时识别目标对象的运动坐标系，对无人艇集群的布局、无人艇与目标对象间的相对距离、速度等信息进行实时确定并对所述任务分配权重不断修正以判定是否需要更改用于执行任务的无人艇；根据所述任务分配权重构建所述用于最优无人艇选择的判定等式，即确定输入任务分配权重vi对应的输出开关信息指令ωi，结合所述无人艇集群的抗扰动分布式协同规则以及赢者通吃的设计理念：对于用于执行任务的无人艇的开关信息指令记为1；对于静止并继续监测目标对象等待执行任务的无人艇的开关信息指令记为0，因此，所述一种无人艇集群的抗扰动分布式协同控制方法与装置的输出开关信息指令满足：ω∈{0，1}n。5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种无人艇集群的抗扰动分布式协同控制方法与装置，其特征在于，根据所述无人艇集群对多目标对象进行监测并执行相应任务的规则，利用二次型优化和标准二次规划方法确定分配无人艇集群的控制信号具体包括：设置最优化性能指标为集群中无人艇的任务分配权重，通过所述用于最优无人艇选择的判定等式以及所述无人艇集群的抗扰动分布式协同任务执行系统的约束确定二次型优化结果；将所述二次型优化结果转换为标准二次规划；对所述标准二次规划用抗扰动数值算法(也即二次规划求解器)进行求解，得到求解结果；根据所述求解结果确定分配无人艇集群的控制信号。6.根据权利要求5所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：金龙，齐一萌，李帅永，刘梅，
申请(专利权)人：兰州大学，重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：甘肃,62