[发明专利]多参数化路径导引的无人船协同操纵控制器的设计方法

说明书

本发明公开了一种多参数化路径导引的无人船协同操纵控制器及其设计方法，所述的控制器包括通讯网络、多个无人船控制器单元和多个领航者控制器单元；所述的多个无人船控制器单元与多个领航者控制器单元分别与通讯网络连接。本发明采用分布式控制结构，编队中仅有部分无人船能够直接获取领航者的信息，其它无人船只能获取邻近的无人船信息。与集中式控制结构相比，分布式控制结构能够更加高效地利用无人船编队内部有限的资源，具有容错性好、数据传输量小、节约通信带宽，方便扩展等优点，使得该协同操纵控制器更有利于实际应用。本发明不仅可以实现无人船协同跟踪控制，而且可以分别控制无人船编队满足指定的性能，实现了无人船协同操纵控制。

技术领域

本发明涉及无人船控制领域，特别是一种多参数化路径导引的无人船协同操纵控制器设计方法。

背景技术

二十一世纪是海洋的世纪，大国间围绕着海洋领土、海洋资源以及海洋经济等问题展开激烈的博弈，为了抢占海洋开发制高点，许多国家加大了在海洋装备研制方面的投入。在众多海洋装备中，智能无人船因其活动范围广、造价低廉、可回收等优点越来越受到重视。但是单个无人船能力有限，因此在一些具体任务中，可以考虑智能无人船编队协同作业，以提高工作能力与工作效率。目前，针对多无人船协同控制问题，已有许多可行的解决方法。

中国专利CN 107037816A公开了一种多无人船编队系统的控制方法，分别设计了无人船舰载系统与岸基监控系统。该方法以岸基上位机作为主控节点，采用轮询控制方式对多无人船进行控制，实现编队的协同跟踪控制，对目标水域进行无死角的拉网式搜索。与传统单船作业相比，该方法可以提高作业效率与作业精度。

中国专利CN 108153311 A公开了一种面向无人船编队的智能控制系统及控制方法，它由岸基监控系统、跟随艇和领航艇构成。无人船编队中，一艘艇作为领航艇，按预先设定轨迹行进；其他艇作为跟随艇，以‘领导者-跟随者’编队模式进行运动；岸基监控系统作为编队上位机，主要用于控制编队运动与实时显示轨迹。该方法根据领航艇与跟随艇的位置和艏向信息，智能控制无人船编队，进而实现整个无人船编队的协同跟踪控制。

但上述及许多已公布的专利中仍然存在以下问题：

第一，在现有的无人船协同控制方法中，领航者的信息大多需要被编队内部的每艘无人船访问，从而导致了一种典型的集中式控制方案。这种控制方案要求领航者具有极高的通信速度与通信带宽，但是由于现实中的海洋环境复杂多变，制约了领航者，乃至整个无人船编队的通信能力，因此集中式控制结构并不是无人船协同控制的最佳方案。

第二，在现有的无人船协同控制方法中，领航者信息大多数被转化为时间相关的轨迹。时间相关轨迹导引下的无人船协同控制器仅能实现多无人船的协同跟踪控制，无法直接实现对无人船编队其它动态性能的控制，如速度和加速度等，这一点限制了许多无人船协同控制方法的应用。

第三，在现有无人船协同控制方法中，无人船编队的队形通常依靠内部无人船之间的通信拓扑确定与维持，即队形确定后通信拓扑也会固定。但是实际应用中，通信拓扑可能会随着编队内部环境变化而发生改变，这可能会导致无人船编队无法保持预期的队形。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明要提出一种采用分布式控制结构，不仅能同时完成跟踪控制与动态性能控制，而且不完全依赖通信拓扑维持队形的多参数化路径导引的无人船协同操纵控制器及其设计方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

多参数化路径导引的无人船协同操纵控制器，包括通讯网络、多个无人船控制器单元和多个领航者控制器单元；所述的多个无人船控制器单元与多个领航者控制器单元分别与通讯网络连接；