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基于分布式优化的多无人艇协同控制研究
| 论文题名： | 基于分布式优化的多无人艇协同控制研究 |
| 关键词： | 无人艇;协同控制;分布式优化;动力定位;渐近扩张状态观测器;反步法 |
| 摘要： | 海洋蕴藏着丰富的资源，是人类可持续发展的资源要地。无人艇是人类认识、开发、利用和保护海洋的重要工具，在民用和军事领域都有广泛的应用，例如搜索救援、资源探测、环境监测、远洋补给等。在无人艇关键技术领域中，分布式优化协同控制问题成为研究热点。本文以全驱动无人艇作为研究对象，研究了动态未知多无人艇的分布式优化协同动力定位控制、动态未知多无人艇分布式优化与控制解耦的协同动力定位以及基于时变优化函数的多无人艇分布式优化协同轨迹跟踪控制问题。论文的主要工作如下： 第一，针对海洋环境扰动下的全驱动多无人艇系统，研究了多无人艇分布式优化协同动力定位控制问题。首先，将无人艇模型参数不确定和未知海洋环境扰动看成总扰动，设计渐近扩张状态观测器对总扰动信息进行观测。再基于一致性方法和分布式优化方法设计协同动力定位控制器。通过级联稳定性证明闭环系统是全局一致渐近稳定的。最后，仿真结果验证了多无人艇的分布式优化协同动力定位控制方法的有效性。 第二，在上述基础之上，研究了多无人艇分布式优化与控制解耦的协同动力定位问题。首先，提出了优化与控制解耦分层的控制结构，在优化层，结合一致性方法和分布式优化器产生参考轨迹；在控制层，利用设计的渐近扩张状态观测器对系统的不确定性进行估计，结合观测器基于反步法设计轨迹跟踪控制器。通过级联稳定性证明闭环系统是输入状态稳定的，且最终一致有界。最后，仿真结果验证了多无人艇分布式优化与控制解耦的协同动力定位方法的有效性。 第三，针对模型参数未知和海洋环境扰动下全驱动多无人艇系统，研究了基于时变优化函数的多无人艇分布式优化协同轨迹跟踪控制问题。在优化层，设计时变优化函数，通过分布式时变优化器产生参考轨迹；在控制层，设计基于位置的三阶扩张状态观测器，结合扩张状态观测器和反步法设计输出反馈控制器。通过级联稳定性证明闭环系统是输入状态稳定的。最后，仿真结果验证了基于时变优化函数的多无人艇分布式优化协同轨迹跟踪控制方法的有效性。 |
| 作者： | 何宇婷 |
| 专业： | 电气工程 |
| 导师： | 彭周华 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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