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申请/专利权人：哈尔滨工程大学

摘要：面向无人艇编队护航任务的编队重构控制方法，属于多机器人编队控制技术领域，本发明为解决现有编队重构方法不适用于编队成员数量变化工况的问题。本发明方法为：步骤一、确定当前时刻无人艇编队护航实际任务需求下的行为组合方式；编队重构行为组合方式为：编队追踪护航目标、编队重构、编队保持，执行步骤二；编队保持的行为组合方式为：编队追踪护航目标、编队保持，执行步骤四；步骤二、确定编队重构子任务行为的最佳重构时机；步骤三、建立并求解编队重构的数学模型；步骤四、建立并求解编队追踪护航目标、编队保持两项子任务行为的运动模型；步骤五、对实际行为组合方式中的各项子任务行为进行融合，得到最终的期望速度矢量。

主权项：1.面向无人艇编队护航任务的编队重构控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、确定当前时刻无人艇编队护航实际任务需求下的行为组合方式；当实际任务需求为编队重构时，无人艇编队执行护航的各项子任务的行为组合方式为：依次执行编队追踪护航目标、编队重构、编队保持三个子任务，并执行步骤二；当实际任务需求为编队保持时，无人艇编队执行护航的各项子任务的行为组合方式为：依次执行编队追踪护航目标、编队保持两个子任务，并执行步骤四；步骤二、确定编队重构子任务行为的最佳重构时机；构建基于距离信息的事件触发机制，建立编队重构事件触发函数，通过求解确定使无人艇编队重构时间最短的最佳重构时机；步骤三、建立并求解编队重构的数学模型；根据当前无人艇编队队形、编队运动信息构建执行编队重构子任务后的期望重构队形，设计使得编队重构阶段无人艇编队航行总路径最短的重构策略，建立编队重构行为的数学模型，通过求解得到编队重构的期望速度矢量；步骤四、建立并求解编队追踪护航目标、编队保持两项子任务行为的运动模型；步骤五、对实际行为组合方式中的各项子任务行为进行融合；利用零空间行为融合方法，对各项子任务行为的运动模型进行融合，求解得到最终的期望速度矢量，无人艇编队按所述期望速度矢量航行；步骤六、判断护航目标是否抵达目的地，若达到则无人艇编队护航任务结束，否则返回步骤一；步骤二中确定编队重构子任务行为的最佳重构时机的过程为：步骤二一、监测离开或加入编队的s个无人艇的实时位置信息，离开或加入编队的无人艇的位置坐标位置为pLk＝[xLk,yLk]T，k＝1,...s；步骤二二、建立编队重构事件触发函数： 其中，Vmax为无人艇的最大航速；为无人艇机动避碰时间，d＝100m为无人艇的避碰安全距离，vLk为无人艇当前航速；η为可调参数，η∈[0.25,0.5]；ekt为t时刻离开或加入编队的无人艇与护航目标间距，按下式求取：ekt＝||pLk-pg||式中pg为无人艇编队的护航目标的位置坐标，pg＝[xg,yg]T；步骤二三、确定重构时机：s个无人艇离开编队情况的重构时机为，判断其中任意一个无人艇的编队重构事件触发函数满足fkt＞0条件时，确定当前时刻为编队重构子任务行为的最佳重构时机，触发编队重构子任务行为，执行对n-s个无人艇的编队重构，n为原编队中无人艇数量；s个无人艇加入编队情况的重构时机为，判断其中任意一个无人艇的编队重构事件触发函数满足当ftk≤0条件时，确定当前时刻为编队重构子任务行为的最佳重构时机，触发编队重构子任务行为，对n+s个无人艇进行编队重构；步骤三中建立并求解编队重构的数学模型的过程为：步骤三一、当s个无人艇离开或加入原编队并到达重构时机，触发编队重构子任务；步骤三二、获取待重构新编队的期望队形中每个无人艇的期望位置为：pj,b,d＝pg+dj,b·[cosθj,b+sinθj,b]T式中，j为待重构新编队中无人艇的编号，j＝1,2,...m，m为待重构新编队中无人艇的数量，且m＝n±s；dj,b为重构期望队形Pb*时待重构新编队中第j个无人艇的期望位置与护航目标的距离，按dj,b＝||pj,b,d-pg||获取，其中pj,b,d为待重构新编队中第j个无人艇的期望位置；重构期望队形Pb*＝[p1,b,d,p2,b,d,....pm,b,d]T；θj,b为重构期望队形Pb*时待重构新编队中第j个无人艇的期望位置与护航目标的方位角，θj,b∈[0,360；步骤三三、计算重构前准备重构的各无人艇的期望位置到重构后各无人艇的期望位置的航行总路径Dlj；s个无人艇离开编队情况下，原编队期望队形时原编队剩余n-s个无人艇的期望位置pl＝[pi,a,d],l＝1,2,...n-s,i＝1,2,...n-s和待重构期望队形Pb*时第j个无人艇的期望位置pj,b,d之间的距离Dlj按下式获取：Dlj＝||pl-pj,b,d||，l＝1,2,...,m，m＝n-ss个无人艇加入编队情况下，原编队期望队形Pa*时原编队加入s个准备加入无人艇后，n+s个无人艇的期望位置pl＝[pi,a,d.pLk],l＝1,2,...,n+s；i＝1,2,...,n；k＝1,2,...,s和待重构期望队形Pb*时第j个无人艇的期望位置pj,b,d之间的距离Dlj按下式获取：Dlj＝||pl-pj,b,d||，l＝1,2,...,m，m＝n+s原编队期望队形Pa*＝[p1,a,d,p2,a,d,....pn,a,d]T，第i个无人艇的期望位置pi,a,d按下式获取：pi,a,d＝pg+di,a·[cosθi,a+sinθi,a]T其中，di,a为原编队期望队形Pa*时第i个无人艇的期望位置与护航目标的距离，θi,a为原编队队形Pa*时第i个无人艇的期望位置与护航目标的方位角，θi,a∈[0,360；pLk,k＝1,...,s为编队重构事件触发时，准备加入编队的s个无人艇的位置；步骤三四、采用匈牙利算法以Dlj距离最小为优化目标对Dlj进行求解，使得重构前准备重构的各无人艇期望位置到重构后各无人艇的期望位置的航行总路径最短，输出一组最优的指派方案pl,pj,b,d，pl,pj,b,d表示重构前位置为pl的无人艇航行到执行编队重构后对应的期望位置pj,b,d的总路径最短；步骤三五、建立编队重构的数学模型，求解得到编队重构子任务的期望速度矢量vab： 式中，σf,ab,d为编队重构子任务行为的期望误差，σf,ab,d＝0；σf,ab为编队重构子任务行为的控制函数， 为编队重构子任务行为的伪逆矩阵，Jab是编队重构子任务行为的控制函数σf,ab的雅可比矩阵，按式获取；λab为编队重构子任务行为的增益矩阵，为重构前准备重构的各无人艇当前位置plxl,yl与重构后各无人艇的重构期望队形位置pj,b,dxj,b,d,yj,b,d的距离，rab为编队重构子任务行为的调节因子，rab＝100；步骤四中建立并求解编队追踪护航目标子任务行为的运动模型为：编队追踪护航目标子任务行为的期望速度矢量vg： 式中，σg为编队追踪护航目标子任务行为的控制函数，pi为编队追踪护航目标子任务时编队中各无人艇当前位置pi＝[xi,yi]T,i＝1,2,...,n；σg,d为编队追踪护航目标子任务行为的期望值，σg,d＝pg； 为编队追踪护航目标子任务行为的伪逆矩阵，Jg为σg的雅克比矩阵，λg为编队追踪护航目标子任务行为的增益系数，为护航目标位置pgxg,yg与无人艇当前位置xi,yi的距离，rg为编队生成与保持行为的调节因子，rg＝50；步骤四中建立并求解编队保持子任务行为的运动模型为： σf,d为编队保持子任务行为的期望值，且σf,d＝0；σf为编队保持子任务行为的控制函数，其中，pi,a,d为第i个无人艇的期望位置： 为编队保持子任务行为的伪逆矩阵 式中，Jf为编队保持子任务行为的雅可比矩阵，λf为编队保持子任务行为的增益系数，为当前时刻无人艇的期望队形位置pi,a,dxi,a,d,yi,a,d与当前位置pixi,yi的距离，rf为编队生成与保持行为的调节因子，rf＝80；步骤五中对实际行为组合方式中的各项子任务行为进行融合，求解得到最终的期望速度矢量的过程为：当无人艇编队的实际任务需求为编队保持时，对编队追踪护航目标和编队保持两个子任务行为进行行为融合，得到最终的期望速度矢量： 当无人艇编队的实际任务需求为编队重构时，对编队追踪护航目标、编队重构、编队保持三个子任务行为进行行为融合，得到最终的期望速度矢量： 式中，I为单位矩阵，

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百度查询： 哈尔滨工程大学 面向无人艇编队护航任务的编队重构控制方法