本發(fā)明涉及路徑規(guī)劃，具體而言涉及一種多無人艇通過狹窄水域的分布式路徑規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：

1、隨著智能技術(shù)的發(fā)展，無人艇越來越廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。無人艇現(xiàn)已成為海洋科學(xué)研究、軍事、海洋資源勘探以及海上搜救等領(lǐng)域不可或缺的工具。這些無人艇能在人類難以到達或長時間駐留的海洋環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)，提高了操作效率和安全性。未來海洋的發(fā)展迫切需要大量的無人艇來支撐。作為一種具有自主規(guī)劃、自主導(dǎo)航能力的小型水面平臺，無人艇可在極端條件下或人員難以開展的地方使用，這對其自身的靈活性以及在復(fù)雜海洋環(huán)境中的運動趨勢預(yù)報都提出了更高的要求。進出港口是實現(xiàn)無人艇自主任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，為了多艘無人艇任務(wù)的順利執(zhí)行，有必要對多艘無人艇進出港口的路徑規(guī)劃進行研究。針對確保無人艇之間的通信安全可靠的問題，本發(fā)明提出了一種多態(tài)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)。針對無人艇在狹窄水域的安全通行的問題，本發(fā)明提出了一種防碰撞算法。針對多無人艇的通過狹窄水域效率的問題，本發(fā)明提出了一種分布式優(yōu)化算法來優(yōu)化路徑。

2、在狹窄水域中，多艘無人艇的協(xié)同航行面臨許多技術(shù)難題，盡管當前關(guān)于無人艇的避障和導(dǎo)航技術(shù)已有一定研究，但針對多無人艇協(xié)同通過狹窄水域的深入研究仍然匱乏。過往的研究大多集中在單艇的路徑規(guī)劃和避障技術(shù)上，卻鮮少關(guān)注多艇協(xié)同作業(yè)時的協(xié)調(diào)與通信問題。特別是在實時通信方面，現(xiàn)有研究往往忽視了狹窄水域中多無人艇間復(fù)雜交互的通信問題，這些問題直接影響到無人艇隊形的保持和安全航行；在多無人艇系統(tǒng)通過狹窄水域時，已有研究同樣未能充分考慮到多無人艇系統(tǒng)的效率問題。鑒于此，新的協(xié)同穿過狹窄水域的航行方法積極響應(yīng)智能海洋運輸?shù)募夹g(shù)發(fā)展需求，致力于為多無人艇通過狹窄水域提供一套全面而安全高效的方法。通過這一方法，我們旨在實現(xiàn)無人艇在狹窄水域中的高效協(xié)同、安全保障和路徑優(yōu)化，為海洋運輸業(yè)的智能化和安全性提升貢獻一份力量。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供了一種多無人艇通過狹窄水域的分布式路徑規(guī)劃方法。針對確保無人艇之間的通信安全可靠的問題，本發(fā)明提出了一種多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)。針對無人艇在狹窄水域的安全通行的問題，本發(fā)明提出了一種防碰撞算法。針對多無人艇通過狹窄水域的效率問題，本發(fā)明提出了一種分布式優(yōu)化算法來優(yōu)化路徑。本發(fā)明可以有效攻克多無人艇在復(fù)雜海況下通過狹窄水域的難題，實現(xiàn)多無人艇通過狹窄水域效率的提升，并且保證多無人艇系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、高效、安全的航行。

2、為此，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供了一種多無人艇通過狹窄水域的分布式路徑規(guī)劃方法，所述步驟包括：

4、為無人艇設(shè)計局部成本函數(shù)，并將路徑規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為求解成本函數(shù)的極小值問題；

5、為無人艇設(shè)計運動學(xué)模型，進而將求解成本函數(shù)的極小值問題轉(zhuǎn)化為無人艇輸入的設(shè)計問題；

6、設(shè)計多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并為無人艇設(shè)計控制輸入；

7、基于在多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的分布式優(yōu)化算法，對多無人艇系統(tǒng)進行路徑規(guī)劃，使得無人艇能夠根據(jù)不同狹窄水域的地形，選擇不同的成本函數(shù)和參數(shù)來安全高效地通過。

8、進一步地，為無人艇設(shè)計局部成本函數(shù)，包括：

9、當無人艇穿過狹窄水域時，每艘無人艇都會根據(jù)狹窄水域標準航線找到合適的軌跡；

10、使用數(shù)學(xué)中的樣條插值法分別擬合每艘無人艇的軌跡，并將得到的函數(shù)作為第i艘無人艇局部成本函數(shù)fi(ηi(t),t):其形式為：

11、

12、其中，代表第i艘無人艇的位置，代表第i艘無人艇的時變函數(shù)；成本函數(shù)表示實際位置相對于期望位置的量化。

13、進一步地，為無人艇設(shè)計運動學(xué)模型，包括：

14、無人艇運動模型采用雙積分器模型：

15、

16、其中，νi(t)表示第i個艘無人艇的速度，τi(t)表示第i個艘無人艇的控制輸入。

17、進一步地，設(shè)計多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，包括：

18、多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)由全維可定義功能平面的數(shù)據(jù)層、控制層和服務(wù)層組成，數(shù)據(jù)層將無人艇和地面站通過異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)多模態(tài)終端標識混合接入網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)層為其提供全維可定義的轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)；控制層同時將ip標識、身份標識、內(nèi)容標識、位置標識納入多模態(tài)尋址與路由中，將服務(wù)層應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)路由進行適配，根據(jù)匹配選擇和按需切換等機制，實現(xiàn)對底層數(shù)據(jù)層面轉(zhuǎn)發(fā)的控制；服務(wù)層實現(xiàn)對多無人艇系統(tǒng)路徑的優(yōu)化與避碰服務(wù)。

19、進一步地，控制層在功能上與四種網(wǎng)絡(luò)模式相匹配：ip標識組網(wǎng)是在原有通信功能的基礎(chǔ)上，確保無人艇狀態(tài)信息的實時接收和轉(zhuǎn)發(fā)；位置標識組網(wǎng)用于傳輸無人艇的地理位置信息；身份標識組網(wǎng)用于發(fā)送無人艇的通信請求并接收返回結(jié)果，以輔助無人艇的通信；內(nèi)容標識用于將無人艇采集到的視頻數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)降孛嬲尽?/p>

20、進一步地，設(shè)計的τi(t)為：

21、

22、其中，c1和c2表示正常數(shù)，sgn表示符號函數(shù)，表示第i艘和第j艘無人艇之間的勢函數(shù)。

23、進一步地，所述勢函數(shù)為：

24、

25、其中，dij表示相鄰無人艇之間的期望距離；勢函數(shù)是|ηi-ηj||2的非負可微分函數(shù)；b1,b2,b3,b4和b5是常數(shù)，保證勢函數(shù)連續(xù)，并且當||ηi/ηj||2＝dij時最??；且dij＜y。

26、進一步地，當|ηi(0)-ηj(0)||2＜y時，選擇作為勢函數(shù)；反之，則選擇作為勢函數(shù)。

27、上述技術(shù)方案具有以下有益效果：

28、本發(fā)明是在對無人艇協(xié)同航行技術(shù)進行深入研究和分析的基礎(chǔ)上提出的一種創(chuàng)新方法。該方法通過綜合考慮多艇間的通信、路徑規(guī)劃和避障技術(shù)，在確保全局航行協(xié)調(diào)和每艘無人艇安全運行約束的同時，建立了多艇協(xié)同航行的控制模型，以保證無人艇隊形的穩(wěn)定性、安全性以及高效性。其中，本研究設(shè)計了一種分布式優(yōu)化控制方法，可以有效解決狹窄水域中多艇間復(fù)雜交互對穩(wěn)定航行的影響，從而確保無人艇在狹窄水域中安全高效地協(xié)同航行。

29、通過本發(fā)明的實時應(yīng)用，可以有效提高無人艇協(xié)同航行的效率和安全性，降低對單一導(dǎo)航系統(tǒng)的依賴，進而推動智能海洋運輸?shù)陌l(fā)展。在多艇航行系統(tǒng)中應(yīng)用在多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的分布式優(yōu)化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)各無人艇之間的可靠通信，完成分布式的協(xié)同控制決策計算；同時，分布式動態(tài)協(xié)同控制方法可以更好地適應(yīng)分布式運行方式，處理狹窄水域中的復(fù)雜交互和不確定信息，保障無人艇隊形的穩(wěn)定性和航行的安全性。因此，本研究具有重要的應(yīng)用價值和社會意義，為無人艇在狹窄水域中的高效協(xié)同航行提供了可靠的技術(shù)支持。

技術(shù)特征：

1.一種多無人艇通過狹窄水域的分布式路徑規(guī)劃方法，其特征在于，所述步驟包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多無人艇通過狹窄水域的分布式路徑規(guī)劃方法，其特征在于，為無人艇設(shè)計局部成本函數(shù)，包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多無人艇通過狹窄水域的分布式路徑規(guī)劃方法，其特征在于，為無人艇設(shè)計運動學(xué)模型，包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多無人艇通過狹窄水域的分布式路徑規(guī)劃方法，其特征在于，設(shè)計多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種多無人艇通過狹窄水域的分布式路徑規(guī)劃方法，其特征在于，控制層在功能上與四種網(wǎng)絡(luò)模式相匹配：ip標識組網(wǎng)是在原有通信功能的基礎(chǔ)上，確保無人艇狀態(tài)信息的實時接收和轉(zhuǎn)發(fā)；位置標識組網(wǎng)用于傳輸無人艇的地理位置信息；身份標識組網(wǎng)用于發(fā)送無人艇的通信請求并接收返回結(jié)果，以輔助無人艇的通信；內(nèi)容標識用于將無人艇采集到的視頻數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)降孛嬲尽?/p>

6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的一種多無人艇通過狹窄水域的分布式路徑規(guī)劃方法，其特征在于，設(shè)計的τi(t)為：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種多無人艇通過狹窄水域的分布式路徑規(guī)劃方法，其特征在于，所述勢函數(shù)為：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種多無人艇通過狹窄水域的分布式路徑規(guī)劃方法，其特征在于，當||ηi(0)-ηj(0)||2＜y時，選擇作為勢函數(shù)；反之，則選擇作為勢函數(shù)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種多無人艇通過狹窄水域的分布式路徑規(guī)劃方法，所述步驟包括：為無人艇設(shè)計局部成本函數(shù)，并將路徑規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為求解成本函數(shù)的極小值問題；為無人艇設(shè)計運動學(xué)模型，進而將求解成本函數(shù)的極小值問題轉(zhuǎn)化為無人艇輸入的設(shè)計問題；設(shè)計多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并為無人艇設(shè)計控制輸入；基于在多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的分布式優(yōu)化算法，對多無人艇系統(tǒng)進行路徑規(guī)劃，使得無人艇能夠根據(jù)不同狹窄水域的地形，選擇不同的成本函數(shù)和參數(shù)來安全高效地通過。本發(fā)明可以有效攻克多無人艇在復(fù)雜海況下通過狹窄水域的難題，實現(xiàn)多無人艇通過狹窄水域效率的提升，并且保證多無人艇系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、高效、安全的航行。

技術(shù)研發(fā)人員：滕菲,李爍,葉佩蕓,林冠廷
受保護的技術(shù)使用者：大連海事大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/11