[发明专利]多个无人水面艇的多势场避障方法及复杂环境下多USV多模式编队避障控制方法

权利要求书

1.一种多个无人水面艇的多势场避障方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)初始状态下的各无人水面艇处于安全区域，各无人水面艇在目标点的引力势场、现实势场与各成员间的弹性势场的作用下朝着目标点航行，并逐步形成预期队形；

2)航行中各个无人水面艇通过自身姿态与外部传感器探测信息，得出局部环境信息，并通过通信拓扑结构将信息传送给领航者，由领航者无人水面艇融合各个无人水面艇传递的局部环境信息，得到探测的总体局部环境信息，建立局部环境模型；

3)通过局部环境模型获得当前无人水面艇在航行过程中受到的合力，将合力在平面坐标系分解，得到当前无人水面艇的避障航速与航向角；

其中，所述建立局部环境模型的方法是：

1)计算目标点对USV的引力势场：USVi在大地坐标系中的坐标为P_i(x_i,y_i),目标点位于大地坐标系的坐标为P_g(x_g,y_g)，则目标点对USV产生的引力势场为：

其中，ρ_ig＝||P_i-P_g||代表第i条USV与目标点相对于大地坐标系上的距离，||·||为范数；

2)计算障碍物对USVi的斥力势场：

m为势场函数的变化幅值参数，c为势场函数的变化速度参数，ρ_io为第i条USV与障碍物之间的距离，R_safe为安全距离即为需要进行避障行为的参考距离，表示USV与障碍物之间的最小安全距离；

3)计算USVi受到的总的弹性势场：

K_ij表示各个成员之间的弹性势场系数，n表示除自身外的成员个数；

为USVi与USVj之间的弹性势场，为USVi与USVj的弹性势场系数，r_ij为实际距离与预期距离的差，P_ij为USVi与USVj之间的实际距离，ρ_ij为USVi与USVj之间的预期距离；

4)USV受到的外界干扰的总势场为：

U_r＝U_w+U_s

U_w＝k_wu_w²

U_s＝k_su_s²

U_r、U_w、U_s分别表示现实势场、海风势场和海流势场，k_w、k_s分别表示海风势场系数、海流势场系数，u_w、u_s分别表示海风风速与海流流速；

5)将势场相加得USVi在环境中受到的总势场，得到局部环境数学模型：

与分别表示USVi受到的总势场、引力势场、斥力势场、现实势场与各成员之间的弹性势场，k_att、k_rep、k_real分别表示引力势场系数、斥力势场系数、现实势场系数；

USV_i受到的总势场的负梯度为USV_i在航行过程中受到的合力：

为USV_i受到的合力，与分别为USV受到的引力、斥力、外部干扰力与各成员之间弹性势场力，K_att、K_rep、K_real与K_h分别为USV受到的引力、斥力、外部干扰力与各成员之间弹性势场力的调节系数；

6)通过得到的合力向量，将合力分解为由x轴与y轴向量力组成的合力，得到USV_i分别在x轴与y轴上的速度，求出USV_i的避障航速υ_i与航向角θ_i。