領導跟隨者策略

領航跟隨者策略最初用在機器人編隊的控制上，後來在無人機編隊、車輛控制、無人潛航器及水面無人艇等編隊控制方面得到了的套用，其中在欠驅動船舶編隊的控制方面，套用尤其廣泛。其基本方法是在編隊中設定一個或幾個領航者，其餘成員作為跟隨者，在編隊航行的過程中領航者的作用是控制整個編隊的行進路線，作為跟隨者的成員於領航者之間保持一定的角度和距離便可以控制編隊隊形。其中領航者既可以是真實的個體成員，也可以是虛擬領航者。

基本介紹

• 中文名：領導跟隨者策略
• 外文名：Leader-followerStrategy
• 領域：船舶運動控制
• 專業：海洋工程
• 套用：航海、搜救等
• 作用：保持編隊基本架構

名詞解釋

控制策略是隊形控制研究中的核心問題，合適的控制策略對於隊形控制的快速性、有效性有著至關重要的作用。領導跟隨者策略是現今套用最為廣泛的隊形控制策略。由於領導跟隨者策略的簡便性和可靠性，國內外很多學者對其進行了大量研究。領導跟隨者策略的基本架構包括領導者和跟隨者，領導者負責規劃編隊路線，跟隨者通過控制其與領導者之間的視距和視線角，保持想要的編隊隊形。

模型建立

首先假設編隊中的第 個無人艇，第 個艇為跟隨艇，則由兩個艇組成的領導跟隨者的模型如下圖所示。

對第 無人艇即領航艇進行建模，定義：

為跟隨艇與領航艇之間的相對距離；

為表示跟隨艇和領隊艇之間的相對角度；

為無人艇的中心點；

分別為領航艇和跟隨艇的航向角；

分別為領航艇和跟隨艇的位置坐標。

根據領航者-跟隨者的控制思想可知，在領航艇的位置和航向角已知的情況下，只要設定跟隨者相對於領航者的期望距離 和期望相對角度 ，那么，跟隨艇的位置期望值和航向角的位置期望值就唯一地被確定下來。在實際編隊航行中，無人艇之間的距離 （可通過水聲或雷射測距方式測量得到）以及相對角度 （可通過相對位置經過計算獲得），所以只要將兩艇間的實際距離 和相對角度 為限定在期望值所允許的誤差範圍內即可達到隊形控制的目的，數學表達形式為

其中 為有界正常數。

分類

領導跟隨者控制算法主要分成兩類：其一是 型，即每一個領航艇只對一個跟隨艇進行控制，領航艇和跟隨艇之間相對距離為 ，航向之間的夾角 ，然後根據領航艇與跟隨艇之間的實際位置進行計算，得到需要對跟隨艇施加的指令距離和航向角信息，使跟隨艇到達指定的相對位置，從而達到控制和保持隊形的目的。其二是 型，採用這種方法的計算時需要參考三條艇之間的相對距離和相對方位信息。三條艇之間的關係為，兩條領航艇和一條跟隨艇，這種方法只需要對兩個領航艇到跟隨艇之間的期望和實際的距離信息 和 然後對跟隨艇施加控制信息，使其保持相對距離不變就可以達到控制編隊隊形的目的。領導跟隨者算法的好處是在領航艇航行軌跡已知的情況下，對跟隨艇控制器設計時只需要其完成將兩個距離差消除即可，算法簡單，但是由於對兩條領航艇之間跟隨的誤差是相互獨立的，其算法誤差得不到反饋和補償容易發散。