[发明专利]一种基于多无人艇的目标跟踪协同控制系统和方法

权利要求书

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；

（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：

（2.2-1）令k=1，根据无人艇和目标的初始位置，计算路径规划算法中的各参量，确定神经网络的结构初值；

（2.2-2）根据的无人艇速度角速度，计算得到控制输出油门和舵角；

（2.2-3）利用速度反馈量，计算误差，利用神经网络的在线自学习能力调整控制器参数，计算得到控制输出；

（2.2-4）更新下一时刻的路径规划算法中的各参量值；

（2.2-5）判断无人艇是否到达目标点，运动结束，否则，向下执行（2.2-6）；

（2.2-6）令k=k+1，返回继续执行第（2.2-2）步。

5.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(3)具体包括：

（3-1）利用全局定位主机初始化目标以及无人艇的位置坐标；

（3-2）根据各无人艇的位置坐标信息构建目标与无人艇之间的相对位置角度关系，得到误差动力学方程，进而推导出无人艇的运动控制律；

（3-3）建立基于非线性最小二乘法的无人艇轨迹预测模型，利用粒子群算法解决轨迹预测模型参数选取问题，更新每个粒子的速度和位置，使用m个历史数据作为训练样本，计算适应度函数，用适应度函数最优的一组粒子的值更新粒子的个体极值，利用个体极值中的最优值更新全局极值，多次迭代取适应度函数值最好的一组粒子初步建立预测模型；

（3-4）开始编队运动：无人艇不断接收上位机发送的坐标信息，跟随目标运动轨迹运动，同时不断利用下一时刻的数据作为训练样本更新轨迹预测模型，并向后预测下一时刻的目标轨迹运动点；

（3-5）根据定义的通信数据异常范围，无人艇对获得的目标位置信息做出判断：若数据在正常范围之内，则无人艇跟踪目标运动轨迹运动，若出现通信数据异常，则启用预估点作为无人艇下一时刻的运动轨迹点；

（3-6）在运动过程中不断判断编队队形是否满足队形要求：若不满足，则无人艇按照编队要求做相应的调整，若满足要求，则继续向目标点运动，直到运动到目标点。