热词 | 制导 路径 障碍函数 集群 跟踪 标称 参数 博弈 ψiw 角速度 | ||
专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; |
专利有效性 | 实质审查 | 当前状态 | 实质审查 |
申请号 | CN202411168293.4 | 申请日 | 2024-08-23 |
公开(公告)号 | CN119065372A | 公开(公告)日 | 2024-12-03 |
申请人 | 大连海事大学; | 申请人类型 | 学校 |
发明人 | 彭周华; 徐彦平; 赵擎宇; 古楠; 王浩亮; 王安青; 刘陆; 王丹; | 第一发明人 | 彭周华 |
权利人 | 大连海事大学 | 权利人类型 | 学校 |
当前权利人 | 大连海事大学 | 当前权利人类型 | 学校 |
省份 | 当前专利权人所在省份:辽宁省 | 城市 | 当前专利权人所在城市:辽宁省大连市 |
具体地址 | 当前专利权人所在详细地址:辽宁省大连市甘井子区凌水街道凌海路1号 | 邮编 | 当前专利权人邮编:116026 |
主IPC国际分类 | G05D1/43 | 所有IPC国际分类 | G05D1/43 ; G05D109/30 |
专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
专利权利要求数量 | 7 | 专利文献类型 | A |
专利代理机构 | 大连东方专利代理有限责任公司 | 专利代理人 | 修睿; |
摘要 | 本 发明 提供了一种基于非合作博弈的无人艇集群路径 跟踪 控制器 ,用以对欠驱动无人艇进行控制,包括:基于视距制导的标称制导律模 块 、基于非合作博弈的参数更新律模块、基于控制障碍函数的安全制导律模块、安全约束与输入约束;所述参数更新律模块接收来自通讯网络的路径参数及无人艇路径参数的估计值,所述参数更新律模块输出更新律参数至标称制导律模块,所述参数更新律模块输出路径参数及对其他无人艇路径参数的估计值至通讯网络;本发明提出的基于非合作博弈的无人艇集群路径跟踪控制方法,考虑了欠驱动无人艇与静态碍航物、动态碍航物和邻居无人艇之间的避障避碰问题,在保障无人艇安全的前提下实现了多无人艇协同路径跟踪编队控制。 | ||
权利要求 | 1.一种基于非合作博弈的无人艇集群路径跟踪控制器,用以对欠驱动无人艇进行控制,其特征在于,包括:基于视距制导的标称制导律模块、基于非合作博弈的参数更新律模块、基于控制障碍函数的安全制导律模块、安全约束与输入约束; |
||
说明书全文 | 一种基于非合作博弈的无人艇集群路径跟踪控制器技术领域[0001] 本发明涉及欠驱动无人艇集群控制技术领域,具体而言,尤其涉及一种基于非合作博弈的无人艇集群路径跟踪控制器。 背景技术[0002] 随着海洋资源开发和海上作业的不断扩展,无人艇在军事侦察、海洋监测、资源勘探等领域发挥着越来越重要的作用。无人艇集群作业可以实现集群态势感知、集群目标包围和集群编队护航等更具规模、更为高效、更加复杂的海上任务。近年来,无人艇集群控制技术受到了国内外相关研究人员的广泛关注,无人艇集群路径跟踪控制作为典型的无人艇集群控制技术之一,要求集群无人艇跟踪与时间相解耦的几何路径,可实现更平滑的跟踪效果。无人艇集群路径跟踪适用于如管道检测、地形勘探和水文调查等对时间没有严格要求的作业任务。 [0003] 针对无人艇集群路径跟踪控制问题,现有方法往往通过无人艇集群内部各个无人艇之间的协同合作实现集群路径跟踪,在实际应用中,如果无人艇在集群路径跟踪过程中能够执行一些个体任务,则可以增强无人艇集群系统的灵活性。然而,平衡无人艇的个体任务与集群协同任务之间的冲突与矛盾具有重大挑战。另外,无人艇在实际海洋环境下执行集群路径跟踪任务过程中会不可避免的遭遇诸如暗礁、浮漂等动静态碍航物,若无人艇不能及时避开环境中影响航行安全的碍航物,可能会对无人艇集群系统带来毁灭性的后果。研究无人艇集群路径跟踪过程中的航行安全问题,具有极高的现实价值和应用前景。因此,为适应海洋环境的动态变化和不确定性,设计一种考虑集群内部无人艇个体利益和无人艇航行安全的无人艇集群路径跟踪控制方法,成为了一个亟待解决的技术难题。 [0004] 在无人艇集群路径跟踪领域国内外已有一定的研究基础,并且提出了很多控制方法。但是现有的控制方法仍存在着以下不足: [0005] 第一,现有的多无人艇集群路径跟踪控制方法几乎都需要无人艇之间完全合作以实现全局的协同编队控制目标,而在实际应用中,除了无人艇群体内部的合作目标之外,可能还需要无人艇根据自身的任务要求实现其个体目标。 [0006] 第二,现有的多无人艇集群路径跟踪控制方法大都没有考虑无人艇的避障避碰问题或考虑的不完全,而无人艇在实际海洋环境中运动时,无人艇不可避免地会遇到各种静态碍航物和动态碍航物,若不采取相应措施,可能会导致无人艇与碍航物之间发生碰撞,甚至导致灾难性后果。 [0007] 第三,现有的无人艇避障避碰方法大都没有考虑避障避碰任务与既定工作任务之间的矛盾,而无人艇在实际海洋环境中执行任务时,避障避碰任务和既定的工作任务同样重要,保证无人艇航行安全的同时最小化对既定任务的影响具有重要意义。 发明内容[0008] 有鉴于此,本发明的目的在于提出一种基于非合作博弈的无人艇集群路径跟踪控制器,既能平衡多无人艇编队协同任务与单个无人艇个体利益之间的矛盾,又能实现避障避碰任务对既定路径跟踪任务影响最小的效果。 [0009] 本发明采用的技术手段如下: [0010] 一种基于非合作博弈的无人艇集群路径跟踪控制器,用以对欠驱动无人艇进行控制,包括:基于视距制导的标称制导律模块、基于非合作博弈的参数更新律模块、基于控制障碍函数的安全制导律模块、安全约束与输入约束; [0011] 所述参数更新律模块接收来自通讯网络的路径参数及路径参数的估计值,所述参数更新律模块输出更新律参数至标称制导律模块,所述参数更新律模块输出路径参数及对其他无人艇路径参数的估计值至通讯网络; [0012] 所述标称制导律模块接收来自参数更新律模块的更新律参数和人工输入的参数化路径,所述标称制导律模块输出期望速度制导信号至欠驱动无人艇,所述标称制导律模块输出期望角速度制导信号至安全制导律模块; [0013] 所述安全制导律模块接收来自标称制导律模块的期望角速度制导信号、安全约束与输入约束,所述安全制导律模块输出最优角速度制导信号至欠驱动无人艇。 [0014] 进一步地,所述欠驱动无人艇接收来自标称制导律模块的期望速度制导信号,所述欠驱动无人艇接收来自安全制导律模块的最优角速度制导信号,所述欠驱动无人艇输出无人艇状态至标称制导律模块; [0015] 所述欠驱动无人艇的运动学模型如下: [0016] [0017] 式中,i代表第i艘欠驱动无人艇;xi代表欠驱动无人艇在地球坐标系下x轴上的位置,yi代表欠驱动无人艇在地球坐标系下y轴上的位置,ψiw代表欠驱动无人艇的实际运动方向; 代表欠驱动无人艇的合速度;ri代表欠驱动无人艇的艏摇角速度;βi=arctan2(νi/ui)代表侧滑角。 [0018] 进一步地,所述参数更新律模块的设计步骤如下: [0019] 定义路径参数的导数如下 [0020] [0021] 式中,us为参考速度,ωi为路径参数变量; [0022] 定义第i艘无人艇的代价函数为Ji(θ),并有: [0023] [0024] 式中, ξij表示第i艘无人艇对第j艘无人艇路径参数的估计,ξij计算公式如下: [0025] [0026] 式中, 通信邻接矩阵为 aij是通信邻接矩阵第i行和第j列的元素,aik是通信邻接矩阵第i行和第k列的元素; [0027] ωi计算公式如下: [0028] [0029] 式中, [0030] 将ωi代入 路径参数的导数变为如下: [0031] [0032] 进一步地,所述标称制导律模块的设计步骤如下: [0033] 给定一条参数化路径如下: [0034] [0035] 式中,θi为路径参数,并有: [0036] [0037] 第i艘无人艇对应的路径切向角计算公式如下: [0038] [0039] 位置误差计算公式如下: [0040] [0041] 制导角计算公式如下: [0042] [0043] 式中,Δi为前视距离参数;方向跟踪误差为: [0044] ziψ=ψiw‑ψir [0045] 标称制导律模块的输出信号计算公式如下: [0046] [0047] 式中,ki1和ki2为控制器参数; [0048] 进一步地,所述安全约束与输入约束的设计步骤如下: [0049] S1、安全约束: [0050] 1、静态碍航物避障; [0051] 设计控制障碍函数为: [0052] [0053] 式中,ζil≥0;l=1,...,L;Λil=ψiw‑(π/2+ψil);ψil=atan2(yl‑yi,xl‑xi);pi=T[xi,yi]为第i艘无人艇的位置,pl=[xl,yl]为静态碍航物的位置;dS为与静态碍航物的安全距离; [0054] 静态障碍物安全约束条件计算公式如下: [0055] 2ζilΛilri‑hilγil≤Πil [0056] 其中,γil≥0是松弛变量; [0057] 2、动态碍航物避碰; [0058] 设计如下控制障碍函数: [0059] [0060] 式中,ζim≥0,m=1,...,M,Λim=ψiw‑(π/2+ψim),ψim=atan2(ym‑yi,xm‑xi),pm=T[xm,ym]为动态碍航物的位置;dD为与动态碍航物的安全距离; [0061] 动态障碍物安全约束条件计算公式如下: [0062] 2ζimΛimri‑himγim≤Πim [0063] 式中,γim≥0是松弛变量; [0064] 3、邻居无人艇避碰; [0065] 设计如下控制障碍函数: [0066] [0067] 式中,ζij≥0,j=1,...,N,Λij=ψiw‑(π/2+ψij),ψij=atan2(yj‑yi,xj‑xi),pj=T[xj,yj]为邻居无人艇的位置,dN为与邻居无人艇的安全距离; [0068] 邻居无人艇安全约束条件计算公式如下: [0069] 2ζijΛijri‑hijγij≤Πij [0070] 式中,γij≥0是松弛变量, [0071] S2、输入约束 [0072] 本发明只考虑角速度约束如下: [0073] rmin≤ri≤rmax [0074] 式中,rmin为制导角速度应满足的最小值,rmax为制导角速度应满足的最大值; [0075] 进一步地,所述基于控制障碍函数的安全制导律模块公式如下: [0076] [0077] 本发明还提供了一种基于非合作博弈的无人艇集群路径跟踪控制方法,基于上述任意一项基于非合作博弈的无人艇集群路径跟踪控制器实现,包括如下步骤: [0078] 基于非合作博弈的参数更新律模块通过接收来自通讯网络的路径参数及其估计值,计算出更新律参数和路径参数以及对其他无人艇路径参数的估计值,更新律参数传输给基于视距制导的标称制导律模块,无人艇的路径参数以及对其他无人艇路径参数的估计值回传给通讯网络; [0079] 基于视距制导的标称制导律模块接收来自参数更新律模块的更新律参数、人工输入的参数化路径和无人艇传输的状态信息,计算出期望速度制导信号和期望角速度制导信号,期望速度制导信号传输给无人艇,期望角速度制导信号传输给基于控制障碍函数的安全制导律模块; [0080] 基于控制障碍函数的安全制导律模块接收标称制导律模块传输的期望角速度制导信号、安全约束与输入约束,计算出当前的最优角速度制导信号传输给无人艇; [0081] 无人艇接收来自安全制导律模块的最优角速度制导信号和来自标称制导律的期望速度制导信号,并将自身的状态信息传输给标称制导律模块。 [0082] 较现有技术相比,本发明具有以下优点: [0083] 第一,本发明提出的控制方法旨在从非合作博弈的角度解决多无人艇编队控制问题,基于非合作博弈的参数更新律模块将传统协同路径跟踪中参数协同问题转化为纳什均衡点的寻求问题,平衡了无人艇集群编队任务与单个无人艇个体任务之间的矛盾。 [0084] 第二,本发明提出的基于非合作博弈的无人艇集群路径跟踪控制方法,考虑了欠驱动无人艇与静态碍航物、动态碍航物和邻居无人艇之间的避障避碰问题,在保障无人艇安全的前提下实现了多无人艇协同路径跟踪编队控制。 [0085] 第三,本发明的基于控制障碍函数的安全制导律模块提出的避障避碰方法采用二次优化的方式,对基于视距制导的标称制导律模块的制导信号进行在线实时优化得到安全制导信号,实现安全避障避碰任务对既定的集群路径跟踪控制任务的影响最小。附图说明 [0086] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0087] 图1是本发明控制器结构示意图。 [0088] 图2是本发明无人艇集群安全路径跟踪轨迹图。 [0089] 图3是本发明制导速度与安全制导角速度图。 [0090] 图4是本发明纵向跟踪误差和横向跟踪误差图。 [0091] 图5是本发明路径参数与参数估计效果图。 [0092] 图6是本发明无人艇与静态碍航物、动态碍航物和邻居无人艇最小距离变化曲线图。 具体实施方式[0093] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围。 [0094] 需要说明的是,本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。 [0095] 如图1所示,本发明提供了一种基于非合作博弈的无人艇集群路径跟踪控制器,包括基于视距制导的标称制导律模块、基于非合作博弈的参数更新律模块、基于控制障碍函数的安全制导律模块、安全约束与输入约束、通讯网络和欠驱动无人艇;所述的基于非合作博弈的参数更新律模块输入来自通讯网络,输出端连接到通讯网络与基于视距制导的标称制导律模块,所述的基于视距制导的标称制导律模块输入来自基于非合作博弈的参数更新律模块、人工输入的参数化路径点和无人艇,输出端连接到无人艇和基于控制障碍函数的安全制导律模块,所述的基于控制障碍函数的安全制导律模块输入来自基于视距制导的标称制导律模块和安全约束与输入约束,输出端连接到无人艇,无人艇输入来自基于视距制导的标称制导律模块和基于控制障碍函数的安全制导律模块,输出端连接到基于控制障碍函数的标称制导律模块。 [0096] 所述无人艇的运动学模型如下: [0097] [0098] 式中,下角标i代表第i艘欠驱动无人艇;xi,yi,ψiw分别代表欠驱动无人艇在地球坐标系下x轴、y轴上的位置以及欠驱动无人艇的实际运动方向; 代表欠驱动无人艇的合速度;ri代表欠驱动无人艇的艏摇角速度;βi=arctan2(νi/ui)代表侧滑角。 [0099] 所述的设计方法,包括以下步骤: [0100] A、基于非合作博弈的路径参数更新律模块设计: [0101] 定义路径参数的导数如下: [0102] [0103] 式中,us为参考速度,ωi为路径参数变量。 [0104] 定义第i艘无人艇的代价函数为Ji(θ),并有 [0105] [0106] 式中, ξij表示第i艘无人艇对第j艘无人艇路径参数的估计,且ξij可由下式计算得到 [0107] [0108] 式中 通信邻接矩阵为 aij是通信邻接矩阵第i行和第j列的元素,aik是通信邻接矩阵第i行和第k列的元素; [0109] 变量ωi可由下式计算得到 [0110] [0111] 式中 公式(2)变为如下形式 [0112] [0113] B、基于视距制导的标称制导律模块设计: [0114] 给定一条参数化路径为: [0115] [0116] 式中,θi为路径参数,并有 [0117] [0118] 第i艘无人艇对应的路径切向角可由下式计算得到 [0119] [0120] 位置误差可由下式计算得到 [0121] [0122] 制导角可由下式计算得到 [0123] [0124] 式中,Δi为前视距离参数;方向跟踪误差为 [0125] ziψ=ψiw‑ψir (12) [0126] 标称制导律模块的输出信号可由下式计算得到 [0127] [0128] 式中ki1和ki2为控制器参数; [0129] C、安全约束与输入约束设计: [0130] (1)静态碍航物避障: [0131] 设计控制障碍函数为 [0132] [0133] 式中ζil≥0;l=1,...,L;Λil=ψiw‑(π/2+ψil);ψil=atan2(yl‑yi,xl‑xi);pi=[xi,Tyi]为第i艘无人艇的位置,pl=[xl,yl]为静态碍航物的位置;dS为安全距离。 [0134] 静态障碍物安全约束条件可由下式得出 [0135] 2ζilΛilri‑hilγil≤Πil (15) [0136] 其中γil≥0是松弛变量; [0137] (2)动态碍航物避碰: [0138] 设计如下控制障碍函数 [0139] [0140] 式中ζim≥0,m=1,...,M,Λim=ψiw‑(π/2+ψim),ψim=atan2(ym‑yi,xm‑xi),pm=[xm,Tym]为动态碍航物的位置;dD为安全距离。 [0141] 动态障碍物安全约束条件可由下式得出 [0142] 2ζimΛimri‑himγim≤Πim (17) [0143] 式中γim≥0是松弛变量; [0144] (3)邻居无人艇避碰: [0145] 设计如下控制障碍函数 [0146] [0147] 式中ζij≥0,j=1,...,N,Λij=ψiw‑(π/2+ψij),ψij=atan2(yj‑yi,xj‑xi),pj=[xj,Tyj]为邻居无人艇的位置,dN为安全距离。 [0148] 邻居无人艇安全约束条件可由下式得出 [0149] 2ζijΛijri‑hijγij≤Πij (19) [0150] 式中γij≥0是松弛变量, [0151] (4)角速度约束: [0152] 考虑角速度约束如下 [0153] rmin≤ri≤rmax (20) [0154] 式中rmin和rmax为制导角速度应满足的最小值和最大值。 [0155] D、基于控制障碍函数的安全制导律模块设计: [0156] 基于二次优化的安全制导信号: [0157] [0158] 本发明还提供了一种基于非合作博弈的无人艇集群路径跟踪控制方法,基于非合作博弈的无人艇集群路径跟踪控制器实现,包括如下步骤: [0159] 基于非合作博弈的参数更新律模块通过接收来自通讯网络的路径参数及其估计值,计算出更新律参数和路径参数以及对其他无人艇路径参数的估计值,更新律参数传输给基于视距制导的标称制导律模块,无人艇的路径参数以及对其他无人艇路径参数的估计值回传给通讯网络; [0160] 基于视距制导的标称制导律模块接收来自参数更新律模块的更新律参数、人工输入的参数化路径和无人艇传输的状态信息,计算出期望速度制导信号和期望角速度制导信号,期望速度制导信号传输给无人艇,期望角速度制导信号传输给基于控制障碍函数的安全制导律模块; [0161] 基于控制障碍函数的安全制导律模块接收标称制导律模块传输的期望角速度制导信号、安全约束与输入约束,计算出当前的最优角速度制导信号传输给无人艇; [0162] 无人艇接收来自安全制导律模块的最优角速度制导信号和来自标称制导律的期望速度制导信号,并将自身的状态信息传输给标称制导律模块。 [0163] 实施例 [0164] 一种基于非合作博弈的无人艇集群路径跟踪控制器,其中,欠驱动无人船的运动学模型如下: [0165] [0166] 本实例中所用的控制器满足式(2)‑(22)所描述的控制器结构,具体的参数如下: [0167] 无人艇的初始位置分布在半径为30m的圆周上,给定的参数化参考路径为环境中设置了编号为1到3的三个静态碍航物和一个动 T T T 态碍航物,静态碍航物的位置分别设置为[‑25,0] ,[0,25] ,[25,0],动态碍航物的初始位T 置为[0,0],并以恒定的速度和方向运动。仿真参数选择为kiu=0.5,kir=0.5,Δiψ=1,ds= 5m,dN=5m,γil=30,γim=30,γij=30,rmin=‑0.5rad/s,rmax=‑0.5rad/s,kiθ=5,kiυ=5,us=0.03, [0168] 仿真结果如图2‑图6所示。图2给出了无人艇集群安全路径跟踪轨迹图,可以看出六艘无人艇分别从初始位置出发,经过一段时间跟踪上给定的参数化路径,并在路径跟踪过程中顺利地避开了路径上的静态碍航物和动态碍航物。图3给出了多无人艇制导速度和安全制导角速度,可以看出无人艇在路径跟踪过程中制导速度始终在1m/s附近,在执行避障避碰动作时安全角速度制导信号迅速调整以顺利避开环境中的静态碍航物和动态碍航物,同时可以看出角速度制导信号始终保持在±0.5rad/s以内,在设定的最大值和最小值范围内。图4是路径跟踪纵向跟踪误差和横向跟踪误差,纵向跟踪误差在一段时间后收敛到零附近,因为每艘无人艇在执行避障避碰动作时会偏离预先给定的参数化路径,因此会出现较大的横向跟踪误差,避障避碰结束后无人艇的位置会逐渐收敛到给定的参数化路径,此时横向跟踪误差也会逐渐收敛到零附近。图5给出每艘无人艇对1号无人艇路径参数的估计效果,可以看出具有较好的估计效果。图6是无人艇与静态碍航物、动态碍航物和邻居无人艇最小距离的变化曲线,可以看出在路径跟踪过程中,无人艇与静态碍航物之间的距离始终大于设定的极限距离ds=5m,说明了六艘无人艇与环境中的静态碍航物均没有发生碰撞。由无人艇与动态碍航物之间的最小距离变化曲线可知,在250s‑300s之间无人艇遇到了动态碍航物,但距离仍满足大于dD=5m,说明无人艇与动态碍航物没有发生碰撞。由无人艇与邻居无人艇之间的最小距离变化曲线,可以看出无人艇之间的距离始终大于设定的极限避碰距离dN=5m,说明无人艇之间没有发生碰撞。 [0169] 最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。 |