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申请/专利权人：武汉理工大学三亚科教创新园

摘要：本发明涉及一种无人艇编队跟踪及避障控制方法，属于无人艇编队运动控制技术领域，本发明通过传感器测量和岸基发送的障碍物、无人艇编队、航道状态信息以及期望目标点，基于改进人工势场法的避碰制导律满足避碰要求并符合国际海上避碰规则来规划可行路径，并基于危险度评价函数的队形变换策略来规划无人艇编队方案，最终基于RBF神经网络估计器和反步控制器实时生成控制律并由执行器执行，驱动无人艇编队跟踪期望目标点，在具有避碰风险时，优先实现编队避碰，在无避碰风险时，实现编队跟踪和队形保持。

主权项：1.一种无人艇编队跟踪及避障控制方法，其特征在于，包括：步骤（1）获取无人艇运动状态信息和周围环境障碍物信息，建立无人艇编队操纵运动模型；所述步骤（1）中建立无人艇编队操纵运动模型包括：建立惯性坐标系向量表示第艘无人艇位置和艏向角状态，建立附体坐标系，向量表示第艘无人艇纵向、横向、转艏速度状态；其中附体坐标系以领导无人艇重心为原点，纵向前进方向为X轴，垂直于纵向前进方向为Y轴；基于惯性坐标系和附体坐标系建立无人艇编队操纵运动模型；建立无人艇编队操纵运动模型： ； ；其中，为附加质量惯性矩阵，为阻尼矩阵，为科氏力矩阵，、、分别为无人艇附加质量惯性矩阵、阻尼矩阵和科氏力矩阵的标称模型矩阵，为模型不确定；为环境扰动，为坐标系转换矩阵；为输入力和力矩矩阵；步骤（2）根据无人艇当前位置和速度状态以及目标点位置状态和速度状态对无人艇所受吸引力势场进行建模，得到吸引力函数；所述步骤（2）进一步包括：首先，对无人艇所受吸引力势场进行建模，势能函数与无人艇当前位置和速度状态以及目标点位置状态和速度状态有关，该函数与无人艇和目标点的相对位置和相对速度有关；表示无人艇自身的位置和速度，跟踪的航路点目标位置是，跟踪的航路点速度的速度为，吸引力势场公式由合速度模值和欧式距离的公式共同构成如下： ； ； ；其中，和是人为调整的势场增益系数，和分别是无人艇在惯性坐标系下的横向和纵向坐标，和分别是目标点在惯性坐标系下的横向和纵向坐标，和分别是无人艇的纵向速度和横线速度，和分别是目标点的纵向速度和横线速度，是无人艇合速度，是目标点合速度；对求梯度可得吸引势场力： ；其中是由相对位置产生的吸引矢量力的方向单位向量，是由相对速度产生的吸引矢量力的方向单位向量；步骤（3）根据动态障碍物与无人艇距离和无人艇状态信息基于国际海上避碰规则计算得到排斥力函数；所述步骤（3）进一步包括：利用国际海上避碰规则将动态障碍物所在区域划分为三部分，分别是危险避碰区，避碰操作区，碰撞检测区，根据动态障碍物所在区的区域建立障碍物排斥势场： ；其中，和是排斥势能正系数，无人艇自身和障碍物之间的相对距离表示为，其中是障碍物的位置，和分别代表划分的三个区域的半径，是碰撞风险评估角，由无人艇和障碍物的相对速度角和相对位置角之差构成,和避碰区域临界角，,用于计算向量和的角度，向量和分别为无人艇和障碍物的相对位置向量和相对速度向量；对求负梯度，可以将排斥力表示为： ；其中： ； ； ； ； ； ； ；其中，和分别是障碍物与无人艇相对位置矢量的单位向量和相对速度矢量的单位向量，，，和表示由目标点产生的部分吸引力，、、、、表示障碍物产生的斥力；步骤（4）根据起点和终点以及改进的人工势场法获取的合力，规划避开障碍物的可行路径，并生成路径上的目标航路点；步骤（5）利用障碍物产生的合斥力势能计算危险评价函数，根据危险评价函数对编队队形进行调整；所述步骤（5）进一步包括：利用障碍物产生的合斥力势能作为输入，经危险评价函数计算得到队形变换系数B，，危险评价函数B的公式为： ；其中，，与势能有关的参数，、、……、分别表示多个斥势能的值；步骤（6）基于反步法和RBF神经网络算法的编队跟踪控制指令并输出；所述步骤（6）进一步包括：设为第个无人艇的期望位置和艏向角，定义位置误差系统，当前其导数为： ；其中为虚拟控制输入向量，为了稳定位置误差系统，定义虚拟控制向量的中间控制量为： ；其中是正定设计参数矩阵，定义速度向量和虚拟中间控制量的误差,则当前导数公式可表示为： ；对求导并代入运动模型公式： ；引入三个RBF网络近似和补偿无人艇的未知动力学和受到的环境干扰： ；其中是RBF网络的输入向量，是干扰的未知上界值，是基函数向量，理想的常数权重矩阵为： ；其中，是无人艇的未知动力学和环境干扰的近似误差向量，设,分别为的估计，设计控制律如下： ；其中是正定常数矩阵，设计神经网络权重参数更新律为： ；权重矩阵估计值的具体形式为： ；其中和分别是正定设计矩阵和设计常数。

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