一种基于领导⁃跟随策略的多无人机⁃多无人艇编队协同机制

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29791

Abstract

Abstract:

As the unmanned system technology continues to advance， the issue of cross-domain cooperation in unmanned cluster systems has become a research hotspot. To address the problem of front-end cooperative navigation of multi-Unmanned Aerial Vehicles （UAVs） and multi-Unmanned Surface Vehicles （USVs） in a sea-air cooperation scenario， this paper conducts research on the multi-UAVs and multi-USVs formation cooperation mechanism based on the hierarchical leader-follower strategy. A motion model for cross-domain cluster formation is established to describe the leader-follower relationships among various entities within the cross-domain cluster system. Regarding the cooperative trajectory planning problem for the Leader-UAV and Leader-USV， a trajectory cost function considering multiple constraints is formulated based on the established double-layer grid map model. The improved genetic algorithm is employed for optimization. In the context of cross-domain cluster formation cooperative motion control， heterogeneous formation controllers for the leader-UAV and leader-USV and homogeneous formation motion controllers are designed based on the hierarchical leader-follower formation strategy. Parameter tuning is performed for the homogeneous formation motion controller using the fuzzy controller. Simulation experiments validate the effectiveness of the proposed cross-domain cooperative mechanism for multi-UAVs and multi-USVs.

Key words: leader-follower strategy, UAV-USV cooperation, trajectory planning, formation control, fuzzy control

CLC Number:

V249

Zhenwei WANG, Kai LIU, Jian GUO, Xiaopeng LIU. A multi⁃UAVs and multi⁃USVs formation cooperative mechanism based on leader⁃follower strategy[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(S2): 729791.

Figures/Tables 20

Fig.1

Fig.2

Fig.3

Fig.4

Fig.5

Fig.6

Fig.7

Table 1

Fuzzy rule

$e c$	$e$
$e c$	NB	NM	NS	ZO	PS	PM	PB
NB	PB/NB/PS	PB/NB/NS	PM/NM/NB	PM/NM/NB	PS/NS/NB	ZO/ZO/NM	ZO/ZO/PS
NM	PB/NB/PS	PB/NB/NS	PM/NM/NB	PS/NS/NM	PS/NS/NM	ZO/ZO/NS	NS/ZO/ZO
NS	PB/NB/ZO	PM/NM/NS	PM/NS/NM	PS/NS/NS	ZO/ZO/NS	NS/PS/NS	NS/PS/ZO
ZO	PM/NM/ZO	PM/NM/NS	PS/NS/NS	ZO/ZO/NS	NS/PS/NS	NM/PM/NS	NM/PS/ZO
PS	PS/NS/ZO	PS/NS/ZO	ZO/ZO/ZO	NS/PS/ZO	NS/PS/ZO	NM/PM/ZO	NB/PB/ZO
PM	PS/ZO/PB	ZO/ZO/NS	NS/PS/PS	NM/PS/PS	NM/PM/PS	NM/PB/PS	NB/PB/PB
PB	ZO/ZO/PB	ZO/ZO/PM	NM/PS/PM	NM/PM/PS	NM/PM/PS	NB/PB/PS	NB/PB/PB

Table 1

Fig.8

Table 2

Initial condition information for leader⁃UAV and leader⁃USV

初始条件	领导者
初始条件	领航机	领航艇
$α 1$	1.6	1.6
最小安全距离 $d s a f e$ /m	100	100
领导者的安全距离 $d o b s L$ /m	240	224
内侧编队间距 $d f L$ /m	50	40
起始位置/m	（1 000，1 000）	（500，500）
目标点/km	（10，10）	（10，10）
$h u a v$ /km	2
规划速度范围/（m·s^-1）	［26，42］	［11，17］
最小转弯半径约束/m	210	60
通信范围约束/km	5	5
$α 2$	1.05	1.05
$α 3$	0.9	0.9

Table 2

Fig.9

Fig.10

Table 3

Table 4

Fig.11

Fig.12

Table 5

Fig.13

Fig.14

Fig.15

References 36

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航迹信息	数值
领航机航迹长度/km	26.366
领航艇航迹长度/km	14.236
航迹长度之比	1.852 1
最大通讯距离/km	4.253 8
距离障碍区域的最小值/m	335（UAV）/317（USV）

状态量类型	领航机	跟随机1	跟随机2	领航艇	跟随艇1	跟随艇2
起始位置/m	（1 000，1 000）	（450，550）	（540，460）	（500，500）	（970，1 030）	（1 030，970）
编队前向，侧向间距/m		40，30	40，-30		32，24	32，-24
初始速度/（m·s^-1）	32	31	31	15.5	14.5	14.5
初始航向角/rad	1.570 8	0.85	0.85	-0.079 4	0.85	0.85
速度范围/（m·s^-1）	［25，45］	［25，45］	［25，45］	无	［7.5，20］	［7.5，20］
航向角范围/rad	［-π，π］	［-π，π］	［-π，π］	［-π，π］	［-π，π］	［-π，π］
前向加速度范围/g	［-2，2］	［-2，2］	［-2，2］		［-0.75，0.75］	［-0.75，0.75］
侧向加速度范围/g	［-3，3］	［-3，3］	［-3，3］	［-0.5，0.5］	［-0.5，0.5］	［-0.5，0.5］

运动信息	数值
领航机-领航艇平均航程同步率/%	99.83
领航机领航艇最大通讯距离/km	4.155
无人机编队运动最小间距/m	32.87
无人艇编队运动最小间距/m	27.06

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A multi⁃UAVs and multi⁃USVs formation cooperative mechanism based on leader⁃follower strategy

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