[科普中國]-水面無人艇編隊

名詞解釋

水面無人艇編隊是指兩艘或兩艘以上的無人艇在某個海域完成戰(zhàn)略任務(wù)或運輸任務(wù)組織的無人艇集群。編隊中無人艇各有所長，并將各自完成的任務(wù)有機地組織起來協(xié)作完成某一確定的任務(wù)。無人艇在出海時，通常需要組成一定的編隊以集中的力量，相互配合才能更出色的執(zhí)行工作，如海上作戰(zhàn)，遠(yuǎn)洋運輸?shù)?。無人艇編隊從可變性上主要可以分為固定編隊和臨時編隊，固定編隊指多個無人艇具有固定結(jié)構(gòu)的編隊，而臨時編隊則是指在無人艇執(zhí)行任務(wù)的過程中，根據(jù)任務(wù)需要臨時組成的編隊，編隊中成員作用與相對位置變化靈活。編隊基本要求為：最大限度的發(fā)揮編隊的整體優(yōu)勢以及兵力和武器炮火的威力；編隊能實時機動地變換隊形；能夠密切協(xié)作，同時方便整體指揮。

主要研究內(nèi)容對于無人艇在協(xié)同網(wǎng)絡(luò)下編隊控制來說，內(nèi)容主要涉及到以幾個方面（如圖1）。從圖中可以看出，協(xié)同網(wǎng)絡(luò)下無人艇編隊問題研究主要包括的避碰、無人艇導(dǎo)航、編隊的對形控制等許多方面的內(nèi)容。由于各艇導(dǎo)航裝備的導(dǎo)航精度以及在協(xié)同網(wǎng)絡(luò)下發(fā)揮的作用等方面不盡相同，因此，合理的確定各艇在協(xié)同網(wǎng)絡(luò)下的位置，有效地對編隊隊形進(jìn)行控制，以及提高各艇導(dǎo)航精度，將與各艇所發(fā)揮的作用就有很大的關(guān)系。

控制方法1. 領(lǐng)導(dǎo)跟隨者法領(lǐng)導(dǎo)跟隨者就是從多艘無人水面艇中選出一個作為領(lǐng)航者，而編隊中剩余的其他無人艇就作為跟隨者緊跟領(lǐng)航者航行。該策略的關(guān)鍵在于它將編隊與軌跡位置的偏差進(jìn)行了變換，這樣就方便用控制理論的方法對其進(jìn)行研究1。

2. 基于行為法基于行為法就是將多無人艇的編隊行為分成幾個小的動作，每個小的動作都有自己的目標(biāo)控制器，而且每個動作的輸出又可以當(dāng)作輸入輸送到其他動作的控制器中。通過這樣一系列的行為交互，最終實現(xiàn)編隊控制的任務(wù)?；谛袨榉ǖ暮诵脑谟谌绾卧O(shè)計并選取有效的一系列行為來最終實現(xiàn)多無人水面艇的編隊任務(wù)。

3. 虛擬結(jié)構(gòu)法虛擬結(jié)構(gòu)法的最關(guān)鍵的思想就是將整個編隊系統(tǒng)看作一個整體，也就是一個虛擬的剛性結(jié)構(gòu)，而編隊的每個成員都看作剛性結(jié)構(gòu)中相對固定的一點。當(dāng)隊形進(jìn)行運動時，就是整個編隊跟蹤一虛擬點的問題。相對于領(lǐng)導(dǎo)跟隨者，因為虛擬結(jié)構(gòu)法不存在領(lǐng)航者，而且可以將編隊帶來的誤差引入到系統(tǒng)中，所以可取得較高的控制精度。

4. 基于圖論法由于多無人水面艇編隊控制在執(zhí)行任務(wù)的過程中具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模，所以他們之間的結(jié)構(gòu)是至關(guān)重要的，所以當(dāng)多無人水面艇由于通信、控制的原因而形成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，那么就必須通過數(shù)學(xué)中的圖論將此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建模成圖的形式。因為圖論的發(fā)展已經(jīng)非常完善，所以以圖論為基礎(chǔ)將編隊進(jìn)行建模后，就能更成熟地來分析多無人水面艇系統(tǒng)的性質(zhì)。

優(yōu)點1）水面無人艇編隊系統(tǒng)中的每艘無人艇是分布在不同位置上的，可以同時在工作空間中的不同位置完成各自的工作，同時又可以將單獨完成的工作有機的結(jié)合起來，使整體工作快速有效地的得到完成。

2）水面無人艇編隊中，部分平臺具有有界導(dǎo)航誤差的導(dǎo)航能力，通過協(xié)同編隊實現(xiàn)姿態(tài)信息共享，可以使得系統(tǒng)中每個平臺都具有誤差有界導(dǎo)航能力。

3）編隊系統(tǒng)具有更強的容錯能力，這是因為多成員系統(tǒng)中，每個成員都具有獨立完成整體中的一部分任務(wù)的能力，當(dāng)某些成員由于外界環(huán)境的影響或設(shè)備損壞等原因而使成員喪失了執(zhí)行任務(wù)的能力的時候，編隊系統(tǒng)可以將任務(wù)重新分配給其他成員以確保任務(wù)的順利完成。

4）編隊系統(tǒng)具有更好的適應(yīng)性和對資源的高效利用率。編隊中的各個成員的功能不盡相同，而在不同的工作環(huán)境中，由于不確定因素的存在，需要具有不同適應(yīng)能力的成員完成工作，若采用獨立的工作模式則很容易出現(xiàn)意想不到的情況2。