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原文传递无人船编队鲁棒控制研究

论文题名：	无人船编队鲁棒控制研究
关键词：	无人船编队;鲁棒控制;速度测量;输出约束;有向拓扑
摘要：	随着智能技术的提升，无人系统正逐渐应用于各个领域，通过多个无人系统的协同控制，可以在系统层面上涌现出超越单体能力的群体协同智能控制，以此为基础的多无人系统也应运而生。无人船具有较快的机动性、成本低和节省能源等特点，无人船编队执行任务时具有更明显的优势，因此具有广阔的应用前景，如海上巡逻、搭建动态桥运输乘客和围捕等。在无人船编队控制的过程中，往往受到外部时变干扰、模型不确定性、状态约束和多船通信等方面的约束，因此，对控制性能有了更高的需求。本文围绕全驱动和欠驱动无人船编队鲁棒控制进行研究，解决环境干扰和模型不确定性存在下的速度测量约束、系统输出约束、输入不平滑、多船之间存在通讯以及系统快速收敛性能的无人船编队控制。主要进行了下列几个方面的研究工作: 　　(1)针对外部时变环境干扰存在以及对虚拟控制律求导的问题，分别为全驱动和欠驱动无人船编队控制提出了基于生物启发的鲁棒编队控制方法。首先，设计指数收敛扰动观测器对外部时变环境干扰进行观测;然后，建立编队误差模型，提出基于生物启发(Bioinspired)的无人船编队控制器，解决了控制器设计过程中导致的微分爆炸和输入不平滑问题，并在理论上证明了系统是一致最终有界的;最后，通过算法和仿真对比分析，验证了所提算法有效简化了控制器的形式并且能够保证控制输入平滑有界。　　(2)针对输出约束和速度测量约束下的全驱动无人船编队控制问题，提出了基于高增益观测器(HighGainObserver,HGO)的自适应神经网络输出约束编队控制策略。首先利用等价和分离原理，采用高增益观测器估计领航者的速度，使用自适应神经网络的万能逼近特性补偿系统模型的不确定性，将障碍李雅普诺夫函数(BarrierLyapunovFunction，BLF)用于构建编队误差约束函数，为全驱动无人船提出了基于HGO的输出约束分布式编队控制方法;通过稳定性分析证明了系统闭环误差半全局一致最终有界性。　　为了解决对数型障碍李雅普诺夫函数的保守性并考虑到二阶非完整系统的编队控制问题，为欠驱动无人船提出一种基于改进型正切障碍李雅普诺夫函数(Improved-tan-BLF,Itan-BLF)的输出反馈鲁棒编队控制策略，通过Itan-BLF与生物启发神经动态模型相结合，利用bioinspired模型的输出平滑和有界特性，很大程度上简化了控制律的形式，使得欠驱动无人船在模型动态不确定性、未知环境干扰、编队误差约束以及速度测量值不可用等多重约束条件下实现编队控制，通过数值仿真证明了所提控制器的有效性，为工程应用奠定了理论基础。　　(3)针对未知扰动条件下、模型不确定性、速度测量值不可用以及多船之间存在通信的全驱动无人船有限时间编队控制问题，提出了有向拓扑下有限时间二阶快速非奇异终端滑模(FiniteTimeSecondOrderFastNonsingularTerminalSlidingMode，FTSOFNTSM)编队控制方法。首先，在只已知无人船位置信息的条件下，设计有限时间速度观测器来观测领航者的速度信息;其次，构建基于有向拓扑图的广义编队误差，使得单艘船能够与多艘船完成信息交互，提升编队之间的协同性能。所提FTSOFNTSM编队控制器保证了广义编队误差在整个运动过程中都能够实现有限时间收敛，满足了系统快速收敛的需求。最后，把模型不确定性和外部扰动作为一个整体设计不依赖于其上界信息的自适应律嵌入到FTSOFNTSM编队控制器中，根据Lyapunov稳定性理论证明了无人船编队误差能够在有限时间内收敛。仿真分析验证了所提全驱动无人船在有向拓扑下以及不确定环境下的鲁棒编队控制方法的有效性。　　(4)针对未知扰动条件下、模型不确定性、速度测量值不可用以及多船之间存在通信的欠驱动无人船有限时间编队控制问题，提出了有向拓扑下基于辅助滑模面(AuxiliarySlidingMode，ASM)的输出反馈鲁棒编队控制策略。首先，考虑欠驱动无人船之间信息交互的问题，基于有向拓扑图构建广义编队误差方程，使编队误差更具一般性;然后，为避免SMC出现奇异值，当系统从终端滑模的奇异区域内开始运动时，设计辅助滑模面，欠驱动无人船编队系统会从辅助滑模面切换至终端滑模面，从而使得编队误差在有限时间内收敛;当系统状态从终端滑模的非奇异区域开始运动时则无需切换，可直接沿终端滑模面实现有限时间收敛。最后，由仿真分析验证了所提出的欠驱动无人船有向拓扑下基于ASM的鲁棒编队控制方法良好的控制性能。
作者：	王端松
专业：	控制科学与工程
导师：	付明玉
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2020