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原文传递水面无人艇运动控制及集群协调规划方法研究

论文题名：	水面无人艇运动控制及集群协调规划方法研究
关键词：	无人艇;智能航行;鲁棒控制;集群控制
摘要：	近年来，随着海洋资源勘探与开发以及海洋安全越来越受到人们的高度重视，无人艇(Unmanned Surface Vehicles，USV)由于其在民用和军事领域具有极其广泛的应用前景，成为了国内外的研究热点。此外，随着无人艇研究的进一步深入和无人作战的发展需求，多无人艇集群控制的概念应运而生。集群协作控制在海洋资源探测、舰队协同作战、搜捕营救、编队巡逻、环境监测等方面具有较宽的应用空间。为此，本文以水面无人艇集群的智能航行控制为研究对象，主要进行了以下几个方面的研究工作: 　　首先以一艘实际的喷水推进无人艇为例，建立了水面三自由度运动方程。在运动建模过程中，考虑到无人艇在运动过程中存在的模型摄动问题，开展了摄动模型的研究，并创新性地将运动模型中所有不确定项合并处理，建立了含有不确定函数的总扰动运动模型。同时，以HamiltonJet364型喷水推进器为例，对喷泵推力-转速-航速的关系函数进行了拟合分析，并建立了具体的控制方程，为后续章节的运动控制器设计和运动仿真研究奠定了基础。　　针对欠驱动无人艇的鲁棒控制问题，设计了一种新形式的自适应扰动观测器，对系统各自由度的总不确定摄动量进行在线实时估计。在此基础上使用改进后的滑模控制方法，完成了对系统控制输入量（即推力和喷口转角）的控制律设计，实现了无人艇航速和航向一体化控制。为了解决无人艇在航行过程的欠驱动问题，在设计路径跟踪算法时，采用视线(Line-of-sight)导航算法对无人艇进行艏向规划，并对导航算法进行了适当改进，使其能满足曲线路径跟踪的需求。　　在单艘无人艇运动控制算法研究的基础上，进一步开展了无人艇集群自主运动控制方法设计研究。为了实现无人艇集群自主航行的控制目标，提出了一种分层次的控制框架，并分别从集群集结策略、个体成员运动规划、无人艇避碰方法设计等三个方面开展相应研究。在集结策略方面，提出了一种以集群中心位置及群体成员间距为控制量的成员位置规划方法，并为各无人艇设计了一种速度向量为导向的自主航行运动规划方法。针对无人艇的航行避碰以及避障问题，在控制器设计中引入了人工势场的思想，并对势函数方法进行了必要的改进使其更贴合实际应用的需求。在以上三个步骤的前提下，结合单艘无人艇鲁棒控制的内容，建立了一个综合的集群自主运动控制系统。　　最后，在集群自主运动基本控制框架设计的基础上，研究了无人艇集群智能航行的控制问题，并将该问题提炼为无人艇自主行为决策和运动规划的问题。针对无人艇集群的自主行为决策问题，从集群路径跟踪、集群与海上船只避碰等方面，开展了行为策略库的设计，并为集群中各无人艇设计了自主运动规划律。为了使无人艇具备行为决策的能力，通过模拟无人艇在航行过程中可能遇到的一些情况，开展情景推演和应对行为设计，为无人艇设计了具体的运动行为策略库。通过对多种航行情况及复杂任务下无人艇集群联合作业的仿真试验，展示了无人艇集群的自主行为决策能力，实现了指定任务下集群智能航行的控制目标。
作者：	秦梓荷
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	李平
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文