【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无人艇智能控制，尤其涉及一种无人艇协同编队控制方法。
技术介绍
1、近年来，随着无人技术和自动化控制的快速发展，无人艇（unmanned surfacevehicles，usv）逐渐成为海洋领域的重要研究对象。这些自主水面船只被广泛应用于环境监测、海洋勘探等领域。无人艇的自主操作能力不仅大幅减少了海上作业的危险性，还能够显著提高作业效率，并降低成本。因此，关于无人艇在复杂海洋环境中执行任务的研究越来越受到关注。无人艇技术的早期研究主要集中在单艇的自主导航和控制系统。然而，单艇操作在任务复杂性和覆盖范围方面具有明显的局限性。单艘无人艇难以处理大范围、多任务的复杂海洋操作，例如广域海洋监测、救援搜索等任务。因此，随着需求的增加，多艘无人艇的协同编队控制技术逐渐兴起。通过多艇协作，能够有效扩展无人艇的作业范围，增强系统的鲁棒性和容错能力，并提高任务执行的效率。
2、在多艘无人艇协同工作时，确保它们在复杂海洋环境中保持编队并避免碰撞是一个关键挑战。多艇编队控制需要解决多个技术难题，包括路径规划、避碰决策、通信协作和动态环境适应等。特别是在海洋环境下，无人艇面临的挑战不仅限于海洋中的固定障碍物，还包括其他移动船只、海流、风浪等动态因素。在路径规划方面，如何在不确定的海洋环境中为无人艇生成安全且高效的行进路线是一个核心问题。传统的路径规划方法虽然在静态环境中表现较好，但在面对动态变化的海洋环境时往往表现不佳。另一方面，避碰问题也是无人艇编队中的核心挑战。在开放的海洋环境中，特别是海上船只频繁活动的区域，如何避免与其
3、1.路径规划不够精确。现有的路径规划算法在动态海洋环境中，无法快速应对复杂变化，影响无人艇的任务执行效果，可能导致偏离理想航线。
4、2.避碰算法局限。基于模糊逻辑的避碰算法在面对突发状况时反应较慢，且适应性差，无法在高速动态环境中及时做出避碰决策。
5、3.编队形状调整不灵活。现有的编队控制大多采用固定形状，难以适应复杂或狭窄水域的变化，缺乏动态调整能力，导致编队通行困难。
6、4.智能化和自适应性有限。虽然部分系统引入了智能算法，但现有技术的智能化水平有限，无人艇自适应和自主学习能力不足，难以应对复杂任务的变化。
技术实现思路
1、针对上述问题，本专利技术提供了一种无人艇协同编队控制方法，包括以下步骤：
2、s1，通过布设的多传感器实时获取海洋的静态和动态环境数据，包括障碍物和视觉环境变化；
3、s2，将每个传感器获取的数据分别进行时间同步、坐标转换、数据去噪和数据融合，得到融合后得到的总数据集p，包含了海面和水下的完整环境数据信息；
4、s3，用多传感器融合的数据p，构建三维网格地图m，将环境划分为固定网格单元，每个网格单元通过占用状态、空闲状态或未知状态来标记；
5、s4，基于运动规划模块，为无人艇编队生成实时的最优路径path；所述运动规划模块基于快速行进方法fmm并引入航向角和安全边界潜力图，得到角度变换快速行进法acfsm；航向角通过约束路径变化范围，确保无人艇的运动符合其转向能力，安全边界潜力图则通过增加路径对障碍物的避让，使得路径远离潜在危险区域；
6、s5，基于避障机制模块，其中碰撞检测单元通过到最近接近点的距离dcpa和到最近接近点的时间tcpa计算预测潜在的碰撞风险，其中模糊逻辑算法单元根据碰撞风险实时调整无人艇的航向和速度，确保避障后无人艇能够逐步回归预定路径；
7、s6，基于路径跟踪与控制模块，使无人艇能够稳定跟随调整后的路径；
8、其中，领航艇基于s1至s6生成全局路径并避障，跟随艇通过与领航艇的编队规则及s5中的避障机制模块动态调整位置。
9、优选的，所述s3中构建三维网格地图m的具体过程为：
10、确定网格参数：设定网格大小为0.5米×0.5米×0.5米，地图范围设定在100米×100米×100米；
11、初始化网格地图：创建一个三维数组，表示整个环境的网格地图，每个网格单元初始化为“未知”状态，值设为-1，表示尚未探测到的信息；根据地图范围和网格大小得出数组维度；
12、标记网格单元：首先，遍历融合数据p，对融合数据p中的每一条数据进行分析，识别其中物体的位置、障碍物的三维坐标等信息；其次，更新网格状态；其中占用检测，如果数据集中某个网格位置有物体被检测到，则将该网格单元标记为“占用”，值设为1；其中空闲状态，如果在某个网格单元内没有检测到物体，则将该网格标记为“空闲”，值设为0；其中未检测区域，未被数据集覆盖的网格单元保持为“未知”状态，网格标记公式如下：
13、
14、其中，表示总数据集中第个单元数据；
15、通过计算某个网格的状态与其邻居网格的平均值或权重，生成更平滑的结果；
16、最后，将所有更新后的网格单元状态整合，生成最终的三维网格地图m。
17、优选的，所述s4中的运动规划模块，引入航向角具体为：
18、设无人艇的初始航向角为，为路径规划定义一个航向范围，该航向范围的形状为扇形，其角度由无人艇的转向半径和最大偏航角决定，假设无人艇的转向半径为r，航向范围的角度为α，其计算公式为：
19、
20、其中，w为无人艇的宽度，将路径点的生成限定在无人艇的转向能力范围内，即在计算新的路径点时，路径的方向不能偏离无人艇的当前航向角超过α/2的范围；
21、在路径生成过程中，将网格点时间更新限制如下：
22、
23、其中，为到达时间，是基于航向角的调整量，当新点的方向偏离当前航向角较大时，会增加，使得该路径点的优先级降低，从而避免急转弯。
24、优选的，所述s4中的运动规划模块，引入安全边界潜力图具体为：
25、赋予每个网格点一个值，用来表示该点的安全性，值的范围为0到1，这个值表示到障碍物的最短距离，视为指示局部点安全性的指标，距离障碍物越远，值越高，当值为1时，表示完全安全的区域，即远离障碍物；当值为0时，表示障碍物所在区域，即危险区；
26、潜力图的生成依赖于无人艇与障碍物之间的距离，每个网格点的安全值通过以下公式计算：
27、
28、其中，为点到最近障碍物的距离，为常数项，用来控制潜力图的衰减速率，距离越近，安全值越低，表示该点越不本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种无人艇协同编队控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种无人艇协同编队控制方法，其特征在于：所述S3中构建三维网格地图M的具体过程为：
3.如权利要求1所述的一种无人艇协同编队控制方法，其特征在于：所述S4中的运动规划模块，引入航向角具体为：
4.如权利要求3所述的一种无人艇协同编队控制方法，其特征在于：所述S4中的运动规划模块，引入安全边界潜力图具体为：
5.如权利要求1所述的一种无人艇协同编队控制方法，其特征在于：所述碰撞检测单元具体为：
6.如权利要求5所述的一种无人艇协同编队控制方法，其特征在于：所述模糊逻辑算法单元处理过程具体包括：
7.如权利要求1所述的一种无人艇协同编队控制方法，其特征在于：所述路径跟踪与控制模块包括全局路径引导算法单元和航向控制器；
8.如权利要求7所述的一种无人艇协同编队控制方法，其特征在于：所述全局路径引导算法单元具体为：
9.如权利要求7所述的一种无人艇协同编队控制方法，其特征在于：所述航向控制器具体为：
...
【技术特征摘要】
1.一种无人艇协同编队控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种无人艇协同编队控制方法，其特征在于：所述s3中构建三维网格地图m的具体过程为：
3.如权利要求1所述的一种无人艇协同编队控制方法，其特征在于：所述s4中的运动规划模块，引入航向角具体为：
4.如权利要求3所述的一种无人艇协同编队控制方法，其特征在于：所述s4中的运动规划模块，引入安全边界潜力图具体为：
5.如权利要求1所述的一种无人艇协同编队控制方法，其特征在于：所述碰撞检测单元具体为：
6.如权利要求5所述的一种无人...
【专利技术属性】
技术研发人员：秦鸣，母海方，赵鑫浩，倪鑫雨，朱云翔，范再军，叶锦啸，陈俭杰，翟田磊，
申请(专利权)人：浙江省智能船舶研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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