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原文传递水下潜航器编队海洋勘测的协调控制方法研究

论文题名：	水下潜航器编队海洋勘测的协调控制方法研究
关键词：	水下潜航器编队;协调控制;弱通信条件;队形变换;避障控制
摘要：	水下潜航器编队（通常指multiple Unmanned Underwater Vehicles，简称multi-UUVs）具有负载能力强、任务效率高、系统冗余性好的优点。潜航器编队的协调控制依赖成员之间的快速准确获取运动状态信息的能力，水下特殊的通信和工作环境增加了潜航器编队的控制和研究的难度。基于潜航器编队协调稳定地工作是执行海洋勘测任务的前提，本文以多个具有较高机动性能的潜航器作为研究对象，以海洋勘测作为任务背景，对潜航器编队协调控制问题展开研究。根据勘测任务不同阶段所面对的不同的协调控制问题，对潜航器编队在弱通信条件下及海流扰动作用下的协调控制、跟踪控制以及队形变换等关键问题进行研究和分析。　　本文以潜航器单体的系统结构为基础，结合编队中潜航器的自主性与协调性需求，构建基于协调层的潜航器编队分布式控制体系结构；并且以潜航器非线性耦合模型作为控制对象，构建基于精确反馈线性化的潜航器编队协调控制系统。论文主要研究内容分为以下几个部分：　　首先，针对水声通信带宽受限以及通信系统存在时间延迟的问题，提出一种基于双层独立通信拓扑的潜航器编队协调控制方法。一方面，在双层通信拓扑下各潜航器同时接收不同成员的位置与速度状态信息，利用一致性理论分析验证该拓扑结构下潜航器编队的稳定性并且与传统通信拓扑进行对比分析，进而建立潜航器编队协调控制问题与一致性问题的等效关系。另一方面，从时间延迟的角度，通过Lyapunov-Razumikhin理论获取确保潜航器编队在编队形成过程中稳定收敛的边界条件。在此基础上，根据未知外部扰动以及速度状态信息缺失的情况，通过设计扩张状态观测器（ESO）来获取潜航器编队的扰动及速度状态，最终获取潜航器编队在该通信条件下稳定收敛的边界条件。　　其次，针对水声信道不稳定以及海洋背景噪声的问题，提出一种基于双层 Markov变换拓扑的潜航器编队协调控制方法。根据水下通信中通信链中断造成的潜航器失联等问题的特点，构建基于Markov随机过程的变换通信拓扑，以通过不断切换的拓扑来确保编队中全部潜航器都可以实现通信覆盖。从时间延迟的角度，利用Lyapunov-Krasovskii函数分析并获得在含有时变时间延迟的双层Markov变换拓扑条件下潜航器编队稳定收敛的充分条件。在此基础上，考虑到水下机动导致的水动力非线性变化，引入满足Bernoulli分布的附加非线性因素函数并分析其对潜航器编队稳定性的影响。从海洋背景噪声对水声信道影响的角度，利用Gaussian白噪声模拟水声信道被海洋背景噪声干扰强度，信道有效比来衡量获取编队成员的运动状态信息的有效性，进而利用噪声剥离方法获得保证潜航器编队稳定的充分条件。　　再次，针对未知环境中的单障碍物避碰问题，提出一种基于未知障碍物协同辨识方法和改进人工势场法的多领航者潜航器编队自主避障队形变换方法。根据队形变换过程中领航者与跟随者任务的不同，对领航者与跟随者的自主任务进行分层控制。在领航者自主层，根据潜航器的运动特性，在障碍物协同辨识方法的基础上，设计一种改进的人工势场法。各领航者在编队控制力、目标点引力以及障碍物的排斥力作用下实现在不破坏编队稳定性情况下协同避开障碍物。在跟随者自主层，跟随者分别基于通信链权重和跟随者空间相对位置设计两种自主选择领航者跟随方法完成队形变换过程中的自主分组及跟随。　　最后，针对未知环境中多障碍物的避碰问题，提出一种基于实时协调快速扩展随机树（RCRRT）算法的潜航器编队自主协调避障局部规划方法。通过不断更新障碍物信息获取实时遭遇概率地图（REPM），并以编队因素、随机因素以及目标因素作为 RCRRT算法生成点的概率分配因素生成安全参考路径点。从提高REPM的有效性角度，利用有效度函数与平衡度函数设计障碍物信息优化方法；从局部最优路径的角度，利用能耗函数重构生成点领域内最优参考路径。
作者：	刘一博
专业：	控制理论与控制工程
导师：	严浙平
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文