[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

说明书

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。

技术领域

本发明涉及多无人艇协同控制技术，具体是一种基于多无人艇的目标跟踪协同控制系统和方法，属于单无人艇目标跟踪领域和多无人艇多目标分配协同控制领域。

背景技术

无人艇作为一种小型化、智能化并以遥控或自主方式航行的无人水面运载平台，可以针对具体的任务类型，采用不同的模块、设备来完成任务目标。由于海洋环境日益复杂、作业任务日益多样、单体作业能力受限，协同团队具有比各个无人艇个体性能之和还要优越的总体性能，这种潜在、可观的增效作用，成为研究多艇协同控制的主要动力。无人艇团队能够执行更加多样化的多项任务，系统生存能力显著提升，对复杂环境的适应能力也更强。在军事领域，多无人艇协同已经展现了极为重要的应用价值，相关应用包括协同扫雷、协同护航、协同态势感知、协同跟踪与协同包围等多种作战任务。在民用领域，多无人艇协同能够极大地延伸海洋作业范围。

要形成无人艇团队综合能力，首先要求无人艇在团队中必须要有高度的自主性和很强的协同合作性。因此，无人艇的协同决策与控制问题已成为无人艇应用研究领域的热点。

协同目标跟踪是实现多无人艇协同控制的有效方法之一，研究人员在多无人艇协同跟踪控制问题上已取得很多研究结果，但理论与实际仍有差距。多艇协同跟踪的目标往往不止一个，无人艇团队首先要找到与各单艇相匹配的目标分配方案，近似生成所需编队的跟踪队形，然后无人艇要根据与目标之间的位置角度关系，实时调整自身运动轨迹，保持团队跟踪队形。考虑到多艇之间协同必然需要通信，如何提高跟踪团队在通信条件受限下的跟踪能力的可靠性稳定性也是一个很有实际价值的问题。因此针对多无人艇目标跟踪协同控制系统的研究具有重要的理论价值和现实意义。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术的不足提供一种稳定可操作的基于多无人艇的目标跟踪协同控制系统和方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于多无人艇的协同控制系统，包括岸基全局定位主机、无线通信模块和单无人艇控制系统。所述岸基全局定位主机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。所述无线通信模块主要负责将各艇的感知信息上传至所述岸基主机，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包括控制器模块、传感器模块和运动模块。控制器模块是控制无人艇运动的决策中心，包括主控制器和协控制器，主控制器用于接收上位机发送的位姿信息，以及协控制器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。协控制器用于采集传感器模块的信息并做处理，最后发送给主控制器。传感器模块通过搭载的各种传感器检测外部环境信息。运动模块负责执行来自主控制器的命令完成控制任务。

一种基于多无人艇的目标跟踪协同控制方法，使用上述的基于多无人艇的协同控制系统，具体实施步骤如下：

步骤一：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：

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；