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基于水下侦察任务的多AUV编队队形最优控制研究
| 论文题名： | 基于水下侦察任务的多AUV编队队形最优控制研究 |
| 关键词： | 自主水下航行器;路径跟踪;协同编队;队形控制;避障策略;环境约束 |
| 摘要： | 自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)在对海洋资源勘探，水下信息搜集等领域都展现出广泛的应用空间。多AUV在执行海底管线检测、大海域目标搜寻、海底地图的构建等任务时，需要AUV沿期望路径航行的同时保持队形不变或能够根据环境约束进行队形变换。本文针对AUV在完成路径跟踪（直线路径和曲线路径）的基础上对障碍环境下多AUV编队队形优化变换进行了研究，包括以下几个方面: 首先，根据AUV的动力学性质和运动学特性，构造AUV六自由度运动学和动力学模型，针对本文设计需求对所建立的模型进行了简化，得到AUV水平面运动模型，并用仿真对其进行了验证。 其次，研究了直线路径跟踪下多AUV编队控制问题。利用视线导引法建立单个AUV路径跟踪的误差模型，并利用级联和反馈线性化控制方法设计控制器，使纵向速度误差和艏向角误差渐进稳定。针对多AUV的编队控制，利用基于图论的编队队形控制方法，此方法可确保各AUV间状态信息的交互，通过调整自己的速度设计速度协调控制器，实现对直线路径的编队跟踪控制。 再次，对于曲线路径要求速度和位置在平衡点附近邻域内是镇定控制的，但前面设计的控制器仅能保证在平衡点附近位置镇定，所以设计一种利用虚拟参考点的跟踪控制策略，设计AUV运动学和动力学路径跟踪控制器完成对位置和速度的跟踪，然后用李雅普诺夫直接法和输入-状态稳定性定理对系统的稳定性进行了分析，提高了路径跟踪的精度。进行速度协调控制器设计时，利用图论来构造多AUV间的通信拓扑关系，构造出协调误差模型，实现了对曲线路径的编队跟踪控制。 最后，考虑到海洋环境的复杂性，研究了存在环境约束时多AUV的协同路径跟踪问题，主要是考虑了时延对多AUV间协同控制的影响，提出一种基于逻辑通信的方法，为每个AUV设计了一个估计模块，用来估计编队中其它AUV的协调状态，并更新状态信息实现多AUV间的协调。同时考虑到多AUV编队在水下执行任务时不可避免会碰到障碍物，针对这一情形，建立了队形优化变换的性能指标，设计了一种在障碍环境下的多AUV编队队形优化变换避障策略，让多AUV在保持编队队形执行任务的过程当中能够充分的考虑到环境约束，可以根据航行环境来确定编队队形。 |
| 作者： | 马涛 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 李娟 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2018 |
| 正文语种： | 中文 |
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