一种多UUV跟踪围捕系统及围捕方法与流程

本发明属于muuv(多水下无人航行器，multi-unmannedunderwatervehicle)目标跟踪领域，涉及一种多uuv跟踪围捕系统，特别是一种基于一致性算法的多uuv跟踪围捕系统及围捕方法。

背景技术：

随着经济领域和军事领域上对海洋的开发日益增强，水下航行器成为了海洋开发探测中性价比最高的一种设备，是海洋工程和机器人领域重点研究热点之一。由于水下环境和任务的复杂性，单个的uuv无法满足某些任务的需求，多航行器技术由此产生，其利用航行器间的协同合作，提高了工作效率，增加了对水下环境的适应性，也更加适应复杂的任务。

相对于单一的航行器，多航行器对水下的目标跟踪时其编队增强了多基探测的能力，编队的同构变换增加了跟踪距离和自身的隐蔽性，多个航行器间的协作扩大了水下的监视范围，并提高了整个编队的探测效率。

分布式一致性算法是多uuv编队的重要技术，特别是在恶劣的水况出现通信延时、丢包等情况下，由分布式一致性控制主要依赖于局部信息，其系统结构具有较高的灵活性，uuv的增加或减少不会对整个系统的稳定性产生严重的影响。在水下围捕过程中，就要求uuv之间队形时常重构，则需要uuv的控制不能完全依赖全局信息，以保证顺利完成围捕任务。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种能够自主组成队形、水下通信可靠、在隐蔽环境下对目标跟踪精度高、增加可监测范围和对目标围捕的灵活性、在水下通信不畅时对目标可进行跟踪的的多uuv跟踪围捕系统以及围捕方法。

为解决上述问题，本发明的一种多uuv跟踪围捕系统，包括四艘同构uuv；每艘uuv包括感知模块、通信模块、行为控制模块、协作规划模块、协调控制模块；

感知模块通过传感器采集自身状态和周围环境信息，并进行融合处理，包括dvl、惯导、主动声纳、被动声纳；

通信模块负责航行器之间的信息交互，包括水声通信、无线电通信和无线网络通信；

协作规划模块通过感知模块检测目标状态和通信模块接收其他uuv信息，规划出uuv的期望路径，即到期望四面体型编队中的最优位置；

协调控制模块根据协作规划模块的输出给予每个uuv期望的控制输入；

行为控制模块控制每个uuv执行单元的控制输出，包括推进系统的力和操作面的角度。

本发明的一种多uuv跟踪围捕系统还包括：

追踪过程中被动声纳处于常开状态，当围捕时，切换为主动声纳。

一种上述多uuv跟踪围捕系统的围捕方法，包括以下步骤：

步骤一：多uuv保持航行编队，检测自身状态和周围环境，并保持uuv之间的通信；

步骤二：当某uuv检测到任务目标时，此uuv切换为主动声纳对其进行跟踪且其他uuv向其靠拢，按以下规则测量与目标的相对距离：

式中，ti表示声纳测量信号到达第i艘uuv的时间，||·||表示欧几里得范数，ξi表示第i艘uuv相对于uuv编队几何中心点的位置，ξ^r表示目标相对于uuv编队几何中心点的位置，c为水下声音传播速度；ni表示是噪声项，是一个标准差为σ的零均值高斯噪声；

步骤三：根据多艘uuv的检测信息数据融合对目标精确定位，并开始向目标进行靠拢，一直到形成期望的正四面体型跟踪队形，通过协作规划模块做出如下规划：

||ti-tij||≤ε

上式，tij＝||ti-tj||,nij＝ni-nj，ε≥0为常值；

步骤四：muuv四面体型队形形成后，对目标继续进行跟踪，每个uuv根据协调控制模块的一致性公式产生控制指令并进行跟踪控制；

期望正四面体队形棱长为α，即每艘uuv期望距离为α，每艘uuv与目标期望距离为r，此时只有最初的uuv开启主动声纳，其它uuv根据最初uuv所测信息形成队形；

四艘执行追踪任务的uuv动力系统模型为：

式中ξi∈r^m为第i艘uuv的位置信息；ζi∈r^m为第i艘uuv速度信息；ui∈r^m为第i艘uuv的控制输入；

一致性算法控制律如下：

式中对于i＝1,2,3,4和j＝1,2,3,4；aij是邻接矩阵在时间t时的第(i,j)项，当aij>0，aij≠1时，所得到的邻接矩阵为一种具有权重的图，表示航行器个体间的参数；γ1、γ2为正常数；△ij是第i艘uuv与第j艘uuv的位置差，△i为第i艘uuv与跟踪目标的位置差；ξ^r为跟踪目标的位置信息，ζ^r为跟踪目标的速度信息。

步骤五：muuv期望跟踪队形形成后，切换为围捕模式，开始继续对目标跟踪并缩小编队范围，此时其他uuv被动声纳转为主动声纳，对目标进行最后的围捕；

步骤六：判断围捕任务是否结束，方法为满足下式：

ti≤δ，i＝1,2,3,4

式中，δ>0为常值，上式表示当uuv编队将被追踪目标围捕到最小值时围捕任务完成；若没有完成则进入步骤五。

本发明的有益效果：本发明涉及多uuv队形保持及对闯入目标的跟踪，其一致性算法确保了水下通信可靠性，四点定位保证了在隐蔽环境下对目标跟踪的精度，队形的同构变换增加了可监测范围和对目标围捕的灵活性。在多uuv目标探测过程中，通过调整编队大小改善对跟踪目标的探测精度，扩大了水下的监视范围，并提高了整个编队的探测效率。可以实现多uuv追踪围捕过程中，特别是在通信不畅的情况下，对muuv编队的控制器的设计。对目标追踪围捕过程所需信息量小，计算简单。本发明实现多uuv目标跟踪围捕，能够对跟踪目标的精确定位，并根据跟踪精度自主形成期望跟踪队形；当水下通信不畅有延时或丢失时，多uuv根据所接收不完整的状态信息可对目标进行跟踪围捕。

附图说明

图1为muuv编队跟踪系统示意图；

图2为muuv与追踪目标间距；

图3为muuv期望围捕队型示意图；

图4为muuv跟踪围捕过程流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。

结合图1、图2，muuv跟踪围捕系统结构如下，muuv跟踪围捕系统包括四艘同构完整的uuv。每艘uuv都具有感知模块、通信模块、协作规划模块、协调控制模块、行为控制模块，每艘uuv的感知模块检测自身状态、周围环境和跟踪目标状态，感知模块包含被动声纳和主动声纳，追踪过程中被动声纳处于常开状态，保持uuv任务中的隐蔽性，当围捕时，切换为主动声纳增加对目标的检测精度；通信模块则负责在uuv间的进行信息交互；协作规划模块负责根据muuv编队和目标状态信息对跟踪任务的合理规划，协作规划模块通过感知模块检测目标状态和通信模块接收其他uuv信息，规划出uuv的期望路径，即到期望四面体型编队中的最优位置。协调控制模块要负责多航行器系统的编队运动控制问题，结合通信模块传递的规划信息控制muuv的状态信息，获得每个uuv的期望控制输入值，协调控制模块对uuv的控制器设计分布式采用一致性算法，只需接收部分uuv信息的情况下向行为控制模块输出控制输入；协调控制模块根据协作规划模块输出给予每个uuv期望的控制输入，形成正四面体型编队精确监控闯入目标的行为，根据分布式一致性算法对目标进行跟踪围捕。其中正四面体各棱长根据跟踪精度对跟踪队形进行调整。行为控制模块则主要控制执行机构的输出，包括推进器系统的力和操纵面的角度等。

整个过程中，所有uuv共有三种种行为，(1)目标探测，通过被动声纳，检测周围环境信息，一直到发现目标。(2)目标跟踪，通过通信模块传递的其他uuv和目标状态，只有最初的uuv转换为主动声纳测出目标的相对坐标。每艘uuv自身做出跟踪任务的合理规划，直到整个编队形成期望跟踪队形。(3)目标跟踪围捕，在muuv形成期望队形后，其余uuv将被动声纳切换成主动声纳，精确跟踪目标并缩小队形，一直到围捕任务完成。

结合图3，介绍muuv围捕期望队形和跟踪围捕，其中uuv1、uuv2、uuv3、uuv4为四艘执行追踪任务uuv的期望位置，v为被追踪目标位置，四艘uuv组成棱长为a的正四面体结构，目标v为外接圆的圆心，与各uuv距离为当第i艘uuv检测到跟踪目标时，此时第i个uuv的速度为ζi，目标障碍物速度为ζ^r，要求ζi>ζ^r。以此时第i艘uuv的位置ξi为原点，且检测到目标位置ξ^r，其他uuv逐渐向其靠拢，形成如图所期望的围捕队形。考虑水下噪声影响，对目标定位如下：

式中对于ti为声纳测量信号到达第i艘uuv的时间，c为水下声音传播速度，||ξi-ξj||是第i艘uuv与目标距离，ni为是第i个uuv的测量噪声。ni是具有标准偏差σ的零均值高斯噪声。

每艘uuv形成期望队形的约束为：

||ti-tij||≤ε(3)

||·||为euclidean范数，ε≥0为常值。

为保证定位的准确性，要求四艘uuv不在同一平面内且组成四面体形编队，为保持追踪系统的灵敏性，其编队所期望的几何中心要尽量和v重合。然后根据对目标定位精度调整其uuv之间的距离。

四艘执行追踪任务的uuv动力系统模型为：

式中ξi∈r^m为第i艘uuv的位置信息；ζi∈r^m为第i艘uuv速度信息；ui∈r^m为第i艘uuv的控制输入。

其一致性算法控制律如下：

式中对于i＝1,2,3,4和j＝1,2,3,4；aij是邻接矩阵在时间t时的第(i,j)项，当aij>0，aij≠1时，所得到的邻接矩阵为一种具有权重的图，可以用来表示航行器个体间的信任度等参数；γ1、γ2为正常数；△ij是第i艘uuv与第j艘uuv的位置差，△i为第i艘uuv与跟踪目标的位置差；ξ^r为跟踪目标的位置信息，ζ^r为跟踪目标的速度信息。

结合图4，一种基于一致性算法的多uuv围捕方法为：

步骤一：多uuv保持航行编队，检测自身状态和周围环境，并保持uuv之间的通信。

步骤二：当某uuv检测到任务目标时，uuv对其进行跟踪且其他uuv逐渐向其靠拢。

步骤三：根据多艘uuv的检测信息对目标精确定位，并逐渐形成期望队形。

步骤四：当四面体型跟踪队形形成后，每个uuv根据一致性公式产生控制指令并进行跟踪控制。

步骤五：将编队切换为跟踪围捕模式，跟踪目标且逐渐缩小队形目标进行围捕。

步骤六：判断围捕任务是否完成，即：

ti≤δ，i＝1,2,3,4

式中，δ>0为常值，对于ti为声纳测量信号到达第i艘uuv的时间，δ为常数。若没有完成则进入步骤五，否则防御任务结束。