一种基于多无人艇的目标跟踪协同控制系统和方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN108873894A(43)申请公布日2018.11.23(21)申请号201810592241.8(22)申请日2018.06.11(71)申请人上海大学地址200444上海市宝山区上大路99号(72)发明人周睿刘亮李小毛彭艳罗均(74)专利代理机构上海上大专利事务所(普通合伙)31205代理人陆聪明(51)Int.Cl.G05D1/02(2006.01)权利要求书2页说明书5页附图6页(54)发明名称一种基于多无人艇的目标跟踪协同控制系统和方法(57)摘要本发明涉及一种基于多无人艇的目标跟踪协同控制系统和方法。本系统由岸基全局定位主机通过无线通讯模块连接单无人艇控制系统构成。本方法操作步骤为：1）编队生成过程：使用拍卖算法找到无人艇群体的收益最大的多无人艇对多目标分配方案；2）对无人艇从任意初始状态向目标点运动进行几何路径规划；3）利用基于粒子群的预测模型预测目标运动轨迹，替换通讯异常数据，进行编队轨迹跟踪。通过使用本发明所提出的方法，减小了多轮拍卖过程的计算量，达到多无人艇任务分配的实时性要求；使用基于几何法的路径规划方法和基于神经网络的轨迹跟踪方法满足了单艇轨迹跟踪控制的实时性与准确性要求；利用粒子群算法预测的运动轨迹进行补偿，提高了无人艇在通信条件受限下跟踪能力，使编队跟踪有很高的可靠性和稳定性。CN108873894ACN108873894A权利要求书1/2页1.一种基于多无人艇的目标跟踪协同控制系统，其特征在于，由岸基全局定位主机（1）通过无线通信模块（2）连接单无人艇控制系统（3）构成，所述岸基全局定位主机（1）作为上位机用于处理搭载在各无人艇上的传感器系统采集的数据，得到目标和各无人艇的位姿信息；所述无线通信模块（2）主要负责将各艇的感知信息上传至所述岸基全局定位主机（1），同时又能将位姿信息传输给各无人艇底层；所述单无人艇控制系统（3）包括控制器模块（3-1）、传感器模块（3-2）和运动模块（3-3），控制器模块（3-1）是控制无人艇运动的决策中心，包括主控制器（3-1-1）和协控制器（3-1-2），主控制器（3-1-1）用于接收上位机发送的位姿信息，以及协控制器（3-1-2）发送过来的经处理的传感器信息，并且在其中植入控制算法，控制无人艇自主运动；协控制器（3-1-2）用于采集传感器模块（3-2）的信息并做处理，最后发送给主控制器（3-1-1）；传感器模块（3-2）通过搭载的各种传感器检测外部环境信息；运动模块（3-3）负责执行来自主控制器（3-1-1）的命令完成控制任务。2.一种基于多无人艇的目标跟踪协同控制方法，使用权利要求1所述的基于多无人艇的目标跟踪协同控制系统进行操作，其特征在于包括以下步骤：（1）在编队队形生成过程中，对于多无人艇与多目标的目标匹配问题，使用基于拍卖的分配算法构建多阶段任务分配竞拍子系统，找到使无人艇群体收益最大的分配方案；（2）对无人艇从任意初始状态向目标点运动进行几何路径规划，同时采用基于神经网络的PID调速机制提升无人艇的运动控制性能，构建单无人艇运动控制子系统；（3）利用基于粒子群的预测模型预测目标运动轨迹，替换通信异常数据，进行编队轨迹跟踪，构建多无人艇跟踪控制子系统。3.如权利要求2所述的基于多无人艇的目标跟踪协同控制方法，其特征在于所述步骤(1)包括：1.1针对区域中的无人艇和目标进行预处理：将满足阈值条件的无人艇与目标任务圈定为一个竞拍子区域；1.2分别对每个竞拍子区域进行多轮竞拍：（1.2-1）初始化n=1，设M为无人艇集合的大小，N为目标任务的集合大小；（1.2-2）令i=n；（1.2-3）对于目标任务c，计算所有无人艇完成该目标任务的代价，并记录下花费最小代价的无人艇，将其与c相匹配；（1.2-4）i++，若i≤N+n-1，则转去执行（1.2-3），否则向下执行（1.2-5）；（1.2-5）计算每轮竞拍系统整体收益，若n≤N，则n++，然后转去执行（1.2-2），否则，执行（1.2-6）；（1.2-6）取整体收益和最大的一组作为最终分配方案，任务分配结束。4.如权利要求2所述的基于多无人艇的目标跟踪协同控制方法，其特征在于所述步骤(2)具体包括：2.1对无人艇向目标点的运动进行几何路径规划：（2.1-1）根据目标的运动轨迹，给出目标期望的运动路径以及方向角度；（2.1-2）建立无人艇与目标点在运动过程中每一时刻精确的位姿关系，计算无人艇与目标之间的距离角度偏差；2CN108873894A权利要求书2/2页（2.1-3）推导出无人艇的线速度、角速度；（2.1-4）根据无人艇运动学模型，将无人艇线速度角速度转化为油门和舵角；2.2采用基于网络的PID调速机制提升无人艇的运动控制性能：