本发明涉及路径规划，具体而言涉及一种多无人艇通过狭窄水域的分布式路径规划方法。
背景技术：
1、随着智能技术的发展，无人艇越来越广泛地应用于各个领域。无人艇现已成为海洋科学研究、军事、海洋资源勘探以及海上搜救等领域不可或缺的工具。这些无人艇能在人类难以到达或长时间驻留的海洋环境中执行任务，提高了操作效率和安全性。未来海洋的发展迫切需要大量的无人艇来支撑。作为一种具有自主规划、自主导航能力的小型水面平台，无人艇可在极端条件下或人员难以开展的地方使用，这对其自身的灵活性以及在复杂海洋环境中的运动趋势预报都提出了更高的要求。进出港口是实现无人艇自主任务的关键技术之一。因此，为了多艘无人艇任务的顺利执行，有必要对多艘无人艇进出港口的路径规划进行研究。针对确保无人艇之间的通信安全可靠的问题，本发明提出了一种多态网络的架构。针对无人艇在狭窄水域的安全通行的问题，本发明提出了一种防碰撞算法。针对多无人艇的通过狭窄水域效率的问题，本发明提出了一种分布式优化算法来优化路径。
2、在狭窄水域中，多艘无人艇的协同航行面临许多技术难题，尽管当前关于无人艇的避障和导航技术已有一定研究，但针对多无人艇协同通过狭窄水域的深入研究仍然匮乏。过往的研究大多集中在单艇的路径规划和避障技术上，却鲜少关注多艇协同作业时的协调与通信问题。特别是在实时通信方面，现有研究往往忽视了狭窄水域中多无人艇间复杂交互的通信问题，这些问题直接影响到无人艇队形的保持和安全航行；在多无人艇系统通过狭窄水域时，已有研究同样未能充分考虑到多无人艇系统的效率问题。鉴于此，新的协同穿过狭窄水域的航行方法积极响应智能海洋运输的技术发展需求，致力于为多无人艇通过狭窄水域提供一套全面而安全高效的方法。通过这一方法，我们旨在实现无人艇在狭窄水域中的高效协同、安全保障和路径优化，为海洋运输业的智能化和安全性提升贡献一份力量。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明提供了一种多无人艇通过狭窄水域的分布式路径规划方法。针对确保无人艇之间的通信安全可靠的问题，本发明提出了一种多模态网络的架构。针对无人艇在狭窄水域的安全通行的问题，本发明提出了一种防碰撞算法。针对多无人艇通过狭窄水域的效率问题，本发明提出了一种分布式优化算法来优化路径。本发明可以有效攻克多无人艇在复杂海况下通过狭窄水域的难题，实现多无人艇通过狭窄水域效率的提升，并且保证多无人艇系统能够稳定、高效、安全的航行。
2、为此，本发明采用以下技术方案：
3、本发明提供了一种多无人艇通过狭窄水域的分布式路径规划方法，所述步骤包括：
4、为无人艇设计局部成本函数，并将路径规划问题转化为求解成本函数的极小值问题；
5、为无人艇设计运动学模型，进而将求解成本函数的极小值问题转化为无人艇输入的设计问题；
6、设计多模态网络架构，并为无人艇设计控制输入；
7、基于在多模态网络架构下的分布式优化算法，对多无人艇系统进行路径规划，使得无人艇能够根据不同狭窄水域的地形，选择不同的成本函数和参数来安全高效地通过。
8、进一步地，为无人艇设计局部成本函数，包括：
9、当无人艇穿过狭窄水域时，每艘无人艇都会根据狭窄水域标准航线找到合适的轨迹；
10、使用数学中的样条插值法分别拟合每艘无人艇的轨迹，并将得到的函数作为第i艘无人艇局部成本函数fi(ηi(t),t):其形式为：
11、
12、其中，代表第i艘无人艇的位置，代表第i艘无人艇的时变函数；成本函数表示实际位置相对于期望位置的量化。
13、进一步地，为无人艇设计运动学模型，包括：
14、无人艇运动模型采用双积分器模型：
15、
16、其中，νi(t)表示第i个艘无人艇的速度，τi(t)表示第i个艘无人艇的控制输入。
17、进一步地，设计多模态网络架构，包括：
18、多模态网络由全维可定义功能平面的数据层、控制层和服务层组成，数据层将无人艇和地面站通过异构网络多模态终端标识混合接入网络，数据层为其提供全维可定义的转发服务；控制层同时将ip标识、身份标识、内容标识、位置标识纳入多模态寻址与路由中，将服务层应用与网络路由进行适配，根据匹配选择和按需切换等机制，实现对底层数据层面转发的控制；服务层实现对多无人艇系统路径的优化与避碰服务。
19、进一步地，控制层在功能上与四种网络模式相匹配：ip标识组网是在原有通信功能的基础上，确保无人艇状态信息的实时接收和转发；位置标识组网用于传输无人艇的地理位置信息；身份标识组网用于发送无人艇的通信请求并接收返回结果，以辅助无人艇的通信；内容标识用于将无人艇采集到的视频数据实时传输到地面站。
20、进一步地，设计的τi(t)为：
21、
22、其中，c1和c2表示正常数，sgn表示符号函数，表示第i艘和第j艘无人艇之间的势函数。
23、进一步地，所述势函数为：
24、
25、其中，dij表示相邻无人艇之间的期望距离；势函数是|ηi-ηj||2的非负可微分函数；b1,b2,b3,b4和b5是常数，保证势函数连续，并且当||ηi/ηj||2＝dij时最小；且dij＜y。
26、进一步地，当|ηi(0)-ηj(0)||2＜y时，选择作为势函数；反之，则选择作为势函数。
27、上述技术方案具有以下有益效果：
28、本发明是在对无人艇协同航行技术进行深入研究和分析的基础上提出的一种创新方法。该方法通过综合考虑多艇间的通信、路径规划和避障技术，在确保全局航行协调和每艘无人艇安全运行约束的同时，建立了多艇协同航行的控制模型，以保证无人艇队形的稳定性、安全性以及高效性。其中，本研究设计了一种分布式优化控制方法，可以有效解决狭窄水域中多艇间复杂交互对稳定航行的影响，从而确保无人艇在狭窄水域中安全高效地协同航行。
29、通过本发明的实时应用，可以有效提高无人艇协同航行的效率和安全性，降低对单一导航系统的依赖，进而推动智能海洋运输的发展。在多艇航行系统中应用在多模态网络架构下的分布式优化控制系统，实现各无人艇之间的可靠通信，完成分布式的协同控制决策计算；同时，分布式动态协同控制方法可以更好地适应分布式运行方式，处理狭窄水域中的复杂交互和不确定信息，保障无人艇队形的稳定性和航行的安全性。因此，本研究具有重要的应用价值和社会意义，为无人艇在狭窄水域中的高效协同航行提供了可靠的技术支持。
1.一种多无人艇通过狭窄水域的分布式路径规划方法，其特征在于，所述步骤包括：
2.根据权利要求1所述的一种多无人艇通过狭窄水域的分布式路径规划方法，其特征在于，为无人艇设计局部成本函数，包括：
3.根据权利要求1所述的一种多无人艇通过狭窄水域的分布式路径规划方法，其特征在于，为无人艇设计运动学模型，包括：
4.根据权利要求1所述的一种多无人艇通过狭窄水域的分布式路径规划方法，其特征在于，设计多模态网络架构，包括：
5.根据权利要求4所述的一种多无人艇通过狭窄水域的分布式路径规划方法，其特征在于，控制层在功能上与四种网络模式相匹配：ip标识组网是在原有通信功能的基础上，确保无人艇状态信息的实时接收和转发；位置标识组网用于传输无人艇的地理位置信息；身份标识组网用于发送无人艇的通信请求并接收返回结果，以辅助无人艇的通信；内容标识用于将无人艇采集到的视频数据实时传输到地面站。
6.根据权利要求4或5所述的一种多无人艇通过狭窄水域的分布式路径规划方法，其特征在于，设计的τi(t)为：
7.根据权利要求6所述的一种多无人艇通过狭窄水域的分布式路径规划方法，其特征在于，所述势函数为：
8.根据权利要求7所述的一种多无人艇通过狭窄水域的分布式路径规划方法，其特征在于，当||ηi(0)-ηj(0)||2＜y时，选择作为势函数；反之，则选择作为势函数。
