详情

原文传递自主式水下航行器的最优编队控制研究

论文题名：	自主式水下航行器的最优编队控制研究
关键词：	自主式水下航行器;最优编队控制;时滞系统;轨迹跟踪
摘要：	本文主要研究多自主式水下航行器（Autonomous underwater vehicles，AUVs）编队中的轨迹跟踪控制问题与能量最省控制问题。AUV的动态特性是一类比较复杂的非线性系统，状态向量相互之间的耦合性很高，控制难度较大。本文首先综述了国内外AUV控制研究领域的最新成果，对AUV航行中所涉及的多个因素进行数学建模，然后在模型基础上对AUV提出了多种控制要求，并给出了各种要求下系统控制律的求解过程。文章从不同尺度考虑了不同机动类型的AUV在不同编队模式下对应的时滞系统的最优控制问题，对多AUV编队与时滞系统的相关研究做出了贡献。本文主要的研究内容和创新点现概括如下：　　1.化简了六自由度AUV运动学和动力学系统的数学模型，建立了海浪力干扰模型，并考虑了时滞对数学模型的影响。通过对Fossen提出的六自由度AUV模型的简化，给出了合理假设条件下四自由度的AUV非线性数学模型，降低了控制复杂度；依据海浪力学理论，得出了海浪力作为外界扰动系统的一般状态空间描述形式；根据AUV实验数据和水声通信理论，给出了AUV航行过程中时滞的估计，及其在AUV运动系统中的数学表现形式。　　2.研究了一类小尺度下AUV非线性时滞系统的有限时间点到达问题。视AUV运动方程为AUV姿态控制方程与轨迹控制方程组成的级联系统，利用先控制姿态后跟踪轨迹的方法，实现非线性控制问题的线性化。接下来考虑时滞对AUV系统的影响，对线性化模型进行修正使其更贴近实际系统。最后对轨迹控制过程提出有限时间到达的问题，并给出AUV最优控制律的设计方案。用Matlab仿真实例验证了设计方法的有效性。　　3.考虑了一类二维水平面上带有队形约束条件的多AUV编队最优控制问题。提出了地坐标系下描述队形约束条件的控制性能指标，设计以速度为输入量的控制律代替驱动力控制，将AUV动态模型转换为非线性低耦合系统。针对控制要求设计控制器实现最优跟踪控制，并给出了数值仿真实例与轨迹效果图，验证了控制方法的可行性。　　4.提出了“观察者”编队模式，建立了一类大尺度下编队跟踪控制模型。对AUV系统进行了离散化处理，提出了一类含有等状态与控制时滞的离散系统的最优跟踪问题。在求解最优控制律时，将扰动下含有状态与输入时滞的离散系统进行模型转化，使之变成一个无时滞的系统。对该系统求解所得结果为一前馈反馈控制律。仿真结果表明所设计的控制律的有效性。　　5.讨论了大尺度网络环境下 AUV的远程能量最省控制问题。首先考虑了大尺度条件下水声通信产生的网络诱导时滞对AUV二阶动力模型的影响，建立了含有时滞的控制模型，并提出最小能量控制的最优性能指标。在控制律设计过程中，首先将系统转换为无时滞状态向量描述的形式，然后通过设计新状态描述的无时滞系统的最优控制律，使AUV系统能够在完成预定要求的同时控制能量输出最省。最后我通过仿真实例证明这套方法的有效性。　　6.研究了含有多时滞影响的多AUV能量最省编队控制问题。描述了“指挥者”编队模式，建立了含有多状态时滞与多控制时滞的AUV集中编队控制系统数学模型，提出了编队能量最省问题。将该问题归纳到一类一般性多时滞时变系统控制问题中，给出该类问题最优控制律的求解方法，得到了最优控制律的解析解形式。通过进行仿真，验证了该算法的有效性。
作者：	刘海林
专业：	计算机应用技术
导师：	唐功友
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国海洋大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文