[发明专利]一种多层环绕编队包围的几何设计方法

说明书

本发明公开了一种多层环绕编队包围的几何设计方法，多层环绕编队包围中的目标超椭球面、目标超椭球面上的期望简单凸闭轨道以及运动体动态是在超二次曲面中心坐标系下描述的，目标超椭球面通过同心压缩的方式扩展为关于曲面函数的等值超椭球面簇，由曲面的正则性确定第i个运动体的可运动范围。本发明对超二次曲面中心坐标系描述超椭球、轨道和运动体动态尤其适用，该方法简单可靠、精度较高，可用于协同采集等任务。

技术领域

本发明涉及一种多层环绕编队包围的几何设计方法。

背景技术

利用有限个安装传感器的运动体组成移动传感器网络进行协同目标信息采集，因其卓越的鲁棒性和可扩展性被受国内外众多科研机构和著名学者的关注。NASA早在上世纪九十年代就着手开展火星车协作探索火星计划(NASA,“Robotic Mars Exploration”,http://www.nasa.gov/mission_pages/mars-pathfinder/index.html)，至今已近20个年头。本世纪初，普林斯顿大学联合12家科研院校开展了水下机器人联合采集海洋生物群体信息的实验(Princeton University,“Adaptive Sampling and Prediction”.http://www.princeton.edu/dcsl/asap/)。为了顺应未来的星球探索任务，我国也逐步开展了登月计划。在执行协同目标信息采集任务时，为了能够充分地利用有限个运动体(移动传感器)最大限度的采集数据并且保证采集数据的精度，通常需要规划每个运动体的轨道并且要求多运动体在给定轨道上形成一定的队形，即环绕编队包围控制技术。

当前，环绕编队包围控制技术主要集中在二维空间(陈杨杨，田玉平，基于轨道扩展的多机器人寻迹编队控制设计方法，专利号：ZL201010552508.4；陈杨杨，田玉平，三维空间中多运动体的寻迹编队控制方法，专利号：ZL200910184547.0)。然而，对于深海中鱼群、微生物群以及盐分场分布等的采集信息，需要多运动体多层次立体团团围绕着目标群体进行信息采集；太空星球探测则需要多运动体像环绕星一样沿着不同的曲面编队环绕着被测星；考虑到被探测对象复杂性(如被测星体形状多样化，被测场分布多样化)，这就需要所设计的控制器不仅要能实现曲面(特别是超椭球面)的登陆，还能驱使运动体运动到目标曲面上的期望轨道，同时保证多运动体间的队形关系，这就是我们所说的多层环绕编队控制问题，显然已有的方法无法解决此类问题。此外，注意到已有的环绕编队控制方法对于双向/有向的信息交互需要采用不同的控制律设计。然而，实际中的通信设备因受到外界干扰，双向的通信时常会变成有向的通信，干扰结束通信又恢复为双向通信。对于有向/双向的信息交互拓扑，如果采用不同的环绕编队包围控制器，这无疑会给实现带来很多的麻烦。

因此，适用于有向/双向信息交互拓扑的多层环绕编队包围控制的设计方法将更加具有现实意义。但目前还不存在此类控制方法。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种多层环绕编队包围的几何设计方法，该方法简单可靠、精度较高，可用于多运动体协同采集等复杂任务。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明是一种多层环绕编队包围的几何设计方法，特别适用于超二次曲面中心坐标系下描述的目标超椭球面、期望简单凸闭轨道以及运动体动态。

考虑超二次曲面中心坐标系W_is＝{o_is,x_is,y_is,z_is}描述的第i∈[1,…,n]个运动体动态，其中o_is为第i个运动体对应的目标超椭球面的中心，z_is轴指向上方。在超二次曲面中心坐标系下，运动体的运动可以看成刚体的运动，符合牛顿第二定律，同时受到空间已知流场的干扰：