無人艇集群協(xié)同及編隊問題研究

劉升 杜鵬 鄭婷婷 周健

摘要：隨著近年來智能技術和機器人技術的發(fā)展，水面無人艇的研究取得了較大的進步。無人艇集群的協(xié)同與編隊技術是其能夠高效完成任務的關鍵，也是當前研究中的難點問題。無人艇集群的協(xié)同與編隊并不僅指無人艇數(shù)量上的簡單增加，而是一個涵蓋控制、導航、通信等問題的復雜概念。因此，本文針對無人艇集群協(xié)同及編隊問題展開研究。首先，本文介紹了無人艇的優(yōu)勢、特點及今后的發(fā)展方向。其次，本文梳理了無人艇集群協(xié)同技術的關鍵問題，包括協(xié)同導航、路徑規(guī)劃和任務分配。最后，本文分析了無人艇編隊技術當前存在的問題，包括通信保障、隊形控制和環(huán)境適應策略。關鍵詞：水面無人艇;集群協(xié)同;編隊控制;智能體

中圖分類號：U692文獻標識碼：A文章編號：1006—7973（2022）05-0139-04

隨著自動化技術及通信水平的快速提高，推動了水面無人艇智能化水平的不斷進步。目前，國內外眾多學者已經(jīng)針對無人艇開展了多樣化的研究工作[1-3]。總的來說，單個無人艇智能體的自主化水平已經(jīng)相對較高，能自主執(zhí)行避障、環(huán)境感知、路徑跟蹤等任務。但是針對大范圍搜救、軍事巡航護航、協(xié)同編隊等問題，單艇通常難以滿足工作需求，因此需要多艘無人艇的協(xié)同配合來共同完成任務。相對于無人艇單體而言，無人艇集群具有工作空間上的分布性、執(zhí)行任務的并行性、較高的可靠性、較強的容錯能力及更高的執(zhí)行效率等優(yōu)點;同時對無人艇集群協(xié)同的研究能進一步提高無人艇的智能化水平。本文首先分析了無人艇的優(yōu)勢、特點以及當前不足，在此基礎上提出了無人艇集群協(xié)同的關鍵問題，最后針對集群協(xié)同中的編隊問題作出了詳細探討。

1無人艇的發(fā)展現(xiàn)狀分析

水面無人艇是能夠在海洋、河流、湖泊等環(huán)境中自主完成任務的平臺，是無人駕駛技術在水面環(huán)境中應用的最主要體現(xiàn)之一[4]。無人艇可通過搭載如IMU（Inertial Measurement Unit）、激光雷達、紅外相機、探測雷達、聲吶等傳感器來實現(xiàn)特定類型的任務，無人艇的功能結構如圖1所示。目前在海洋測繪、環(huán)境調查、海事搜救等領域，無人艇已經(jīng)發(fā)揮出了重要的作用。由于非載人的特點以及隱蔽性好、機動性強等優(yōu)勢，無人艇在軍事方面同樣有著良好的應用前景，可用于反潛作戰(zhàn)、護航巡邏、抵近偵察等用途。

作為實現(xiàn)無人艇集群編隊的前提和基礎，無人艇單體需要具備環(huán)境感知功能、自主避障功能和路徑規(guī)劃功能。環(huán)境感知功能即利用自身攜帶傳感器對海上的目標及自身的狀態(tài)進行感知并作為決策的依據(jù)[5]。自主避障功能即根據(jù)無人艇的位置、運動信息以及環(huán)境感知的結果來判斷無人艇與障礙物之間有無碰撞風險并自主采取避碰措施的能力。路徑規(guī)劃功能是指根據(jù)自身所處位置和給定的目標點位置能夠自主規(guī)劃最優(yōu)航線的能力[6]。以上幾項為無人艇單體應具備的基礎功能，也是實現(xiàn)集群協(xié)同的保障。

相比于陸地環(huán)境，海洋環(huán)境更加復雜多變，這給無人艇的應用帶來了很大的挑戰(zhàn)。與此同時，無人艇在發(fā)展過程中也遇到了各種各樣的問題有待解決。在無人艇的控制問題上，由于無人艇運動學模型具有高度的非線性和不確定性，同時無人艇系統(tǒng)欠驅動、船體本身執(zhí)行機構具有時滯性等問題，都直接影響到無人艇應用過程中的操縱性和安全性。由于海洋環(huán)境中高濕高霧、通信距離有限的特點，給無人艇的通信也帶來了不小的困難。上述這些問題在無人艇集群編隊的研究中同樣存在。

2無人艇集群協(xié)同關鍵問題

隨著無人機“蜂群”技術的逐漸成熟，無人艇集群也開始引起業(yè)界的關注。在無人艇集群問題上需要關注的特征主要有無人艇集群大小，即集群中無人艇的數(shù)量，是有限數(shù)量還是無限數(shù)量;無人艇集群合作是有意識合作還是無意識合作;集群中每艘無人艇的關系是分散式還是集中式或是二者混合;無人艇通信類型是顯式通信還是隱式通信;群體組成是同類構成還是異類構成等[7]。從上述方面看，當前無人艇集群協(xié)同技術仍存在較多亟待解決的問題，包括如何實現(xiàn)更加高效穩(wěn)定的多艇通信、更加簡潔可靠的編隊結構、更加完善的集群協(xié)同策略等。因此，本節(jié)將針對無人艇集群協(xié)同中的關鍵問題進行探討。

2.1協(xié)同導航

無人艇在執(zhí)行任務時，通常需要精確的導航信息，也就是目標點的坐標、方位等數(shù)據(jù)。這些信息一方面需要岸基系統(tǒng)提供，另一方面還需要無人艇通過自身環(huán)境感知并實時計算得到。由于單艘無人艇搭載傳感器的種類、感知范圍和信息處理能力限制，因此需要無人艇集群進行協(xié)同導航[8]。首先每艘無人艇均要對自身的位置進行定位，定位方式可分為絕對定位和相對定位。絕對定位方式包括基于無線電的定位如GNSS、WIFI定位;聲波定位如超聲定位、水聲定位;環(huán)境輔助導航如地形匹配、環(huán)境圖像特征匹配。相對定位方式具體可分為本地測量及外感測量。其中本地測量是指根據(jù)初始狀態(tài)和歷史信息，估算當前位置，通常分為慣性導航、舵機推算、多普勒導航等。外感測量即借助某種技術估算自身相對于多機器人團隊中其他機器人的位置，一般能夠獲取到相對距離、相對方位、相對航向等參數(shù)。

在每艘無人艇獲取到自身位置數(shù)據(jù)后則可以進行協(xié)同導航，協(xié)同導航一般分為主從式和并行式。主從式即各無人艇上搭載的傳感器精度有差異，主無人艇定位精度較高，從無人艇定位精度低。從屬無人艇通過與主無人艇通信從而數(shù)據(jù)交換的方式來獲取高精度的定位數(shù)據(jù)。這種協(xié)同導航方式拓撲結構簡單，系統(tǒng)成本低，但對主無人艇的定位數(shù)據(jù)依賴程度較高，當主無人艇發(fā)生故障時，容易導致整個團隊定位精度下降甚至定位失敗。并行式導航即無人艇搭載設備的定位精度沒有差異，因此不依賴某艘無人艇的定位數(shù)據(jù)。當一處通信節(jié)點發(fā)生障礙或通信失敗時，仍可保證其余無人艇的準確定位，具有更好的魯棒性。但去中心化的并行網(wǎng)絡結構拓撲相對復雜，對傳感器的精度要求更高。

2.2路徑規(guī)劃

目前關于水面無人艇路徑規(guī)劃的研究較為成熟，無論是在算法仿真還是在實船驗證方面。但是當無人艇集群進行路徑規(guī)劃時，則會出現(xiàn)一些問題。其中比較重要的是集群內部容易出現(xiàn)的規(guī)劃沖突問題，即在路徑規(guī)劃過程中多艘無人艇可能在同一時刻到達同一位置導致碰撞。解決該問題的方法一般分為耦合式和解耦式路徑規(guī)劃方法[7]。耦合式路徑規(guī)劃方法即將多個無人艇視為一個整體，將多個無人艇中所有的自由度整合成一個自由度，對其進行搜索和規(guī)劃，常用的方法有人工勢場法（APF）、概率路線圖法（PRM）、快速搜索隨機數(shù)（RRT）。這種方法忽略了各無人艇自身的姿態(tài)變化和運動情況，通常具有較高的計算效率。解耦式路徑規(guī)劃方法則是對每個機器人進行獨立路徑規(guī)劃，之后再通過沖突點協(xié)調的方式對多個獨立路徑進行調整和修改以解決路徑間存在的沖突問題，常用的方法包括啟發(fā)式算法、基于沖突的搜索算法、基于預留區(qū)域的方法。這種算法的計算量和復雜程度較高，但是所規(guī)劃出的路徑對解決編隊內部沖突具有更好的效果。

2.3任務分配

任務分配是集群協(xié)同問題中的最關鍵的步驟之一，上述的協(xié)同導航以及路徑規(guī)劃是實現(xiàn)任務分配的基礎。任務分配是指將無人艇與任務之間以最佳的分配方式聯(lián)系起來，實現(xiàn)集群隊形變化次數(shù)最少、集群的移動路徑最平滑、整體消耗的能量最低等優(yōu)化目標。目前無人集群任務分配的主要方法有基于行為的分配方法、基于市場機制的分配方法以及基于群體智能的分配方法。基于行為的分配方法是通過不斷搜索具有最大效益的無人艇與任務間的集合對，從而找到最佳的任務分配方法。該方法的優(yōu)點是實時性、容錯性和魯棒性好;不足是只能得到局部最優(yōu)解，無法實現(xiàn)全局最優(yōu)解求取[9]。基于市場機制的分配方法是指集群中的各個無人艇之間通過信息交流從而完成任務的協(xié)商分配，因此這種方法對通信資源的要求較高且要求任務和無人艇狀態(tài)已知。這種任務分配方法適合在任務和機器人狀態(tài)值可知的中小規(guī)模異構集群中進行分布式問題的協(xié)作求解，從而實現(xiàn)全局最優(yōu)任務分配。基于群體智能的分配方法包括近些年興起的蟻群算法、細菌覓食法等，此類方法仿照生物群體協(xié)作的特性，同樣取得了較好的效果。

3無人艇的編隊問題研究

編隊協(xié)同控制是指無人艇編隊按照特定的幾何構型執(zhí)行動作，控制的重點包括編隊構成、重構、隊形保持以及自主變換。對無人集群編隊問題的研究主要通過三個方面展開，分別是通信問題、隊形控制以及環(huán)境適應。

3.1編隊中的通信問題

編隊中通信是實現(xiàn)群體感知和信息共享的有效途徑，高效穩(wěn)定的通信更加有利于指令的交互和隊形的控制。通信一般可分為集中式通信、分布式通信和分散式通信。集中式通信是系統(tǒng)存在控制中心，所有無人艇的指令均發(fā)送至中心并接受控制指令，進而達到高效的控制效果。這種通信方式精度較高，但對控制中心的要求多、魯棒性相對較差。分布式通信是每艘無人艇只需要和鄰近的無人艇通信進而協(xié)作完成編隊。這種通信方式降低了對控制中心的依賴，魯棒性好。但是通信系統(tǒng)的結構較為復雜，控制精度也相對較差。分散式通信方法是無人艇集群中不存上述兩種通信方式，只是通過編隊中特定的相對關系來保持隊形[10]。目前在無人艇編隊通信中使用比較多且技術成熟的是集中式通信，但是從魯棒性和拓展能力看，分布式通信具有更好的應用前景。

3.2編隊隊形控制

隊形控制是無人集群編隊中的一項重點研究內容，目前常用的編隊控制方法包括領導者-跟隨者法、虛擬結構法和基于行為法等[11]。領導者-跟隨者法是將編隊內一個或多個成員定義為領航者，其余成員定義為跟隨者。領航者沿著指定的規(guī)劃路徑航行，跟隨者在航行過程中始終要與領航者保持一定的角度的距離[12]，如圖2 所示。這種編隊方式的控制精度較高，但對領航者的依賴性較強，因此整體的魯棒性較差。虛擬結構法是將編隊虛擬為一個剛性結構體，根據(jù)各成員相對于結構參考點的位置進行個體控制律的設計，從而將各無人艇的運動控制轉化為虛擬結構體的控制，使無人艇編隊整體保持剛性運動。這種編隊方法脫離了對領導者的高度依賴性，但是由于需要對編隊中的每一個成員進行單獨的控制律設計，導致系統(tǒng)整體的復雜度提高、實用性較低。基于行為法的編隊方式是通過為編隊中所有的成員規(guī)定各種行為，通過執(zhí)行規(guī)定的行為來保持期望的編隊隊形。這種行為可能包括軌跡跟蹤或臨近船只跟蹤、避碰或避障、隊形保持等。目前在實際應用中采用的大多數(shù)還是固定隊形，尚未能做到對隊形的任意變換。

3.3環(huán)境適應策略

環(huán)境適應即是航行環(huán)境中的不確定性以及與環(huán)境的交互，如通信故障、路徑規(guī)劃中遇到障礙物。目前在集群航行中遇到通信故障時默認的方法還是在不做任何處理，但怎么能更好地解決故障目前尚未獲得有效的方法。另一個重要的環(huán)境適應策略研究即是對避障控制的研究，指在規(guī)劃好的路徑中遇到障礙物時，如何根據(jù)原始路徑信息和障礙物信息計算得到有效的避障路徑[13]。目前無人艇單艇避障中常使用人工勢場法計算，但無人艇集群編隊問題中要確定編隊任務的優(yōu)先級是否大于障礙物的優(yōu)先級，即是要確定避障時解除編隊隊形，還是以編隊的形式繞開障礙物。事實上，環(huán)境適應問題是無人集群在應用中存在的重要問題，目前絕大多數(shù)集群協(xié)同的研究仍停留在理論階段，對環(huán)境適應性的研究還相對較少。

4結束語

無人艇集群協(xié)同是一個復雜的科學問題，涉及到多學科、多領域的知識融合。本文對無人艇集群協(xié)同及編隊問題展開討論。首先詳細介紹了無人艇的特點以及無人艇發(fā)展過程中遇到的瓶頸問題。分析了無人艇集群協(xié)同的關鍵問題，包括協(xié)同導航、路徑規(guī)劃和任務分配。研究了無人艇編隊中存在的主要問題，包括通信問題、隊形控制問題以及環(huán)境適應策略等。本文對無人艇集群協(xié)同中的關鍵問題進行了梳理，有利于相關研究學者了解或加深對其的認識。

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