[科普中国]-水面无人艇编队-

名词解释

水面无人艇编队是指两艘或两艘以上的无人艇在某个海域完成战略任务或运输任务组织的无人艇集群。编队中无人艇各有所长，并将各自完成的任务有机地组织起来协作完成某一确定的任务。无人艇在出海时，通常需要组成一定的编队以集中的力量，相互配合才能更出色的执行工作，如海上作战，远洋运输等。无人艇编队从可变性上主要可以分为固定编队和临时编队，固定编队指多个无人艇具有固定结构的编队，而临时编队则是指在无人艇执行任务的过程中，根据任务需要临时组成的编队，编队中成员作用与相对位置变化灵活。编队基本要求为：最大限度的发挥编队的整体优势以及兵力和武器炮火的威力；编队能实时机动地变换队形；能够密切协作，同时方便整体指挥。

主要研究内容对于无人艇在协同网络下编队控制来说，内容主要涉及到以几个方面（如图1）。从图中可以看出，协同网络下无人艇编队问题研究主要包括的避碰、无人艇导航、编队的对形控制等许多方面的内容。由于各艇导航装备的导航精度以及在协同网络下发挥的作用等方面不尽相同，因此，合理的确定各艇在协同网络下的位置，有效地对编队队形进行控制，以及提高各艇导航精度，将与各艇所发挥的作用就有很大的关系。

控制方法1. 领导跟随者法领导跟随者就是从多艘无人水面艇中选出一个作为领航者，而编队中剩余的其他无人艇就作为跟随者紧跟领航者航行。该策略的关键在于它将编队与轨迹位置的偏差进行了变换，这样就方便用控制理论的方法对其进行研究1。

基于行为法基于行为法就是将多无人艇的编队行为分成几个小的动作，每个小的动作都有自己的目标控制器，而且每个动作的输出又可以当作输入输送到其他动作的控制器中。通过这样一系列的行为交互，最终实现编队控制的任务。基于行为法的核心在于如何设计并选取有效的一系列行为来最终实现多无人水面艇的编队任务。
虚拟结构法虚拟结构法的最关键的思想就是将整个编队系统看作一个整体，也就是一个虚拟的刚性结构，而编队的每个成员都看作刚性结构中相对固定的一点。当队形进行运动时，就是整个编队跟踪一虚拟点的问题。相对于领导跟随者，因为虚拟结构法不存在领航者，而且可以将编队带来的误差引入到系统中，所以可取得较高的控制精度。
基于图论法由于多无人水面艇编队控制在执行任务的过程中具有相当的规模，所以他们之间的结构是至关重要的，所以当多无人水面艇由于通信、控制的原因而形成了网络结构，那么就必须通过数学中的图论将此网络结构建模成图的形式。因为图论的发展已经非常完善，所以以图论为基础将编队进行建模后，就能更成熟地来分析多无人水面艇系统的性质。

优点1）水面无人艇编队系统中的每艘无人艇是分布在不同位置上的，可以同时在工作空间中的不同位置完成各自的工作，同时又可以将单独完成的工作有机的结合起来，使整体工作快速有效地的得到完成。

2）水面无人艇编队中，部分平台具有有界导航误差的导航能力，通过协同编队实现姿态信息共享，可以使得系统中每个平台都具有误差有界导航能力。

3）编队系统具有更强的容错能力，这是因为多成员系统中，每个成员都具有独立完成整体中的一部分任务的能力，当某些成员由于外界环境的影响或设备损坏等原因而使成员丧失了执行任务的能力的时候，编队系统可以将任务重新分配给其他成员以确保任务的顺利完成。

4）编队系统具有更好的适应性和对资源的高效利用率。编队中的各个成员的功能不尽相同，而在不同的工作环境中，由于不确定因素的存在，需要具有不同适应能力的成员完成工作，若采用独立的工作模式则很容易出现意想不到的情况2。