[发明专利]基于无线传感网络的多无人艇编队控制系统及方法

摘要

本发明涉及一种基于无线传感网络的多无人艇编队控制系统，它包括UWB导航模块、无人艇控制模块、无人艇通信模块、岸基通信模块和无人艇岸基控制模块，其中，无人艇编队中每个无人艇内均设有UWB导航模块、无人艇控制模块和无人艇通信模块，每个UWB导航模块的导航数据输出端连接对应的无人艇控制模块的导航数据输入端，每个无人艇控制模块岸基通信接口依次通过对应的无人艇通信模块和岸基通信模块连接无人艇岸基控制模块的岸基通信接口。该系统和方法实现了无人艇的定位与队形的评估，实现了对多无人艇编队的控制。 1

主权项

1.一种基于无线传感网络的多无人艇编队控制系统，其特征在于：它包括UWB导航模块(1)、无人艇控制模块(2)、无人艇通信模块(3)、岸基通信模块(4)和无人艇岸基控制模块(5)，其中，无人艇编队中每个无人艇内均设有UWB导航模块(1)、无人艇控制模块(2)和无人艇通信模块(3)，每个UWB导航模块(1)的导航数据输出端连接对应的无人艇控制模块(2)的导航数据输入端，每个无人艇控制模块(2)岸基通信接口依次通过对应的无人艇通信模块(3)和岸基通信模块(4)连接无人艇岸基控制模块(5)的岸基通信接口；

所述UWB导航模块(1)用于向无人艇控制模块(2)提供无人挺导航数据；

所述无人艇控制模块(2)用于将无人挺导航数据通过无人艇通信模块(3)和岸基通信模块(4)转发给无人艇岸基控制模块(5)；

所述无人艇岸基控制模块(5)用于根据接收到的无人挺导航数据，并根据预设定好的队形和路径作进行导航路径匹配处理，然后输出对应无人艇的控制指令；

所述无人艇控制模块(2)还用于通过无人艇通信模块(3)和岸基通信模块(4)接收来自无人艇岸基控制模块(5)的无人艇的控制指令，并按该无人艇的控制指令控制无人艇运动。

2.根据权利要求1所述的无线传感网络的多无人艇编队控制系统，其特征在于：所述无人挺导航数据包括无人艇的位置坐标和航向角信息。

3.根据权利要求1所述的无线传感网络的多无人艇编队控制系统，其特征在于：所述无人艇通信模块(3)与岸基通信模块(4)之间采用2.4G射频通信。

4.一种利用权利要求1所述系统的无人艇编队控制方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：每个无人艇岸基控制模块(5)根据地图信息规划出无人艇编队的航行路径和编队队形，得到各无人艇每个航行数据采样周期内的规划航行坐标和航向角；

步骤2：将无人艇当前实际航行坐标X_i，Y_i和航向角θ_i与下个航行数据采样周期内规划的航行坐标X_ii,Y_ii和航向角θ_ii利用以下步骤2.1～步骤2.4的方法计算得到无人艇期望航向和航速，来使得无人艇编队按规划队形航行；

步骤2.1：各个UWB导航模块(1)将当前相应无人艇的位置信息数据包发送给无人艇岸基控制模块(5)；

步骤2.2：各个无人艇岸基控制模块(5)将得到的无人艇的位置信息数据包解压，得到各个无人艇当前实际航行坐标X_i，Y_i和航向角θ_i，将解压出来的各个无人艇当前实际航行坐标X_i，Y_i和航向角θ_i与下个航行数据采样周期内规划的航行坐标X_ii,Y_ii和航向角θ_ii进行计算，得到下个航行数据采样周期内对应的无人艇期望航速V_i和舵角β_i，计算公式如下：

β_i＝θ_ii‑θ_i

其中，T_i为航行数据采样周期；

通过电机无人艇电机转速和无人艇期望航速的如下关系：

ω_i＝k*V_i

其中，k为转换参数，为预设值；

得到下个航行数据采样周期内的对应的无人艇电机转速ω_i和舵角β_i；

步骤2.3:无人艇岸基控制模块(5)根据下个航行数据采样周期内各个无人艇的无人艇电机转速ω_i和舵角β_i生成各个无人艇的控制命令，并将各个无人艇的控制命令分别发送给无人艇编队中的对应无人艇控制模块(2)；

步骤2.4：各个无人艇控制模块(2)根据得到的控制命令，控制无人艇运动。

5.根据权利要求4所述的无人艇编队控制方法，其特征在于：所述步骤2.1中，各个UWB导航模块(1)将当前相应无人艇的位置信息数据包发送给无人艇岸基控制模块(5)的具体方法为：

步骤2.1.1：各个UWB导航模块(1)中的UWB标签通过测量与四个UWB基站的距离实现定位，得到无人艇当前实际航行坐标X_i，Y_i和航向角θ_i；

步骤2.1.2：各个UWB导航模块(1)将得到的位置信息传送给对应的无人艇控制模块(2)，无人艇控制模块(2)将得到的数据打包；

步骤2.1.3：无人艇通信模块(3)将从无人艇控制模块(2)得到的位置信息数据包发送至岸基通信模块(4)；

步骤2.1.4：岸基通信模块(4)将获得的位置信息数据包通过岸基系统串口模块传送至对应的无人艇岸基控制模块(5)。

6.根据权利要求4所述的无人艇编队控制方法，其特征在于：所述步骤2.3中将各个无人艇的控制命令分别发送给无人艇编队中的对应无人艇控制模块(2)的具体方法为：

步骤2.3.1：将步骤2.2求出的下个航行数据采样周期内的对应的无人艇电机转速ω_i和舵角β_i写入命令数据包，通过岸基通信模块(4)发送给各无人艇控制模块(2)；

步骤2.3.2：无人艇通信模块将命令数据包通过无人艇通信串口传送给对应的无人艇控制模块(2)。

7.根据权利要求4所述的无人艇编队控制方法，其特征在于：所述步骤2.4中，各个无人艇控制模块(2)根据得到的控制命令，控制无人艇运动的具体方法为：

步骤2.4.1：无人艇控制模块(2)中，ARM模块将从无人艇通信串口接收到的命令数据包发送至DSP驱动模块；

步骤2.4.2：DSP驱动模块再将收到的命令数据包进行解包并对其进行分析计算，得出无人艇运动所需的电机转速与舵角，并将转速与舵角指令分别发送相应无人挺控制执行模块；

步骤2.4.3：相应无人挺控制执行模块驱动电机与舵机，通过改变电机转速和舵机舵角以使无人艇编队按照规划的队形和路径航行。

8.根据权利要求4所述的无人艇编队控制方法，其特征在于：所述步骤1中，每个无人艇岸基控制模块(5)根据地图信息规划出无人艇编队的航行路径和编队队形的路径规划的方法采用基于弹性网格的改进遗传算法，在网格地图下求解当前最优路径，然后针对转向点局部增加网格密度，进一步路径寻优，如此重复。