无人艇集群编队控制

无人艇编队控制项目是国家自然基金委重大项目的一个子课题，大课题由上海大学牵头，在我入学之前，已经完成了理论部分的研究，我在项目中负责结题演示实验的设计和实施。

无人艇集群：“小黄鸭群”

实验设计

演示总体分为四个部分，分别控制20艘无人艇展示：

1. 无人艇从初始状态切换编队
2. 无人艇在编队状态下前进，根据当前数量自主调整编队
3. 在遭遇未知舰艇时，排除侦察艇前出侦察
4. 若侦察艇发现中立舰艇，则增派一艘舰艇持续跟踪驱离
5. 若侦察艇发现敌方舰艇，则增派两艘舰艇进行围捕（形成三艇围捕队形10秒视为围捕成功）

具体工作

这个项目分为两个时间节点，一个是2023年年底的结题报告，一个是2024年4月的专家验收。

和之前参与过的项目不同，无人艇搭载的通讯设备是电台，采用UDP传输信息，不能使用ROS的消息传递机制，因此需要自己设计通信协议。这部分虽然很简单，但在实际的实验中由于发送速度过快或过慢，都遇到了不少问题。

算法的设计很简单，根据无人艇的数量，预设一个内外两个圈的队形，核心是要护航的一艘有人驾驶的船作为母艇。在有外来船只被感知时，根据不同的目标类型，重新设置编队位置，并使用匈牙利算法在最小化每艘船的位置变化条件下，分配无人艇到新的位置。

无人艇遥控器视角

由于无人艇行驶在海面中，航程范围极大，因此传统的ego-planner等以栅格地图为基础的路径规划方法运算量极大，无法做到实时规划。因此，我们改进了人工势场法，避开歧义值，并在扇形区域内有船只时动态调整航向和速度，保证稳定安全的路径规划。

结题演示演练

与无人机中使用的px4ctrl类似，控制算法采用了PD控制器，由于无人艇在海面上会收到风浪的影响，因此控制算法输入的目标也是一个围绕目标点的动态点，保证无人艇在风浪影响下仍能稳定前进并保持队形。

编队队形

驱离队形

围捕队形