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欠驱动无人船编队协同控制技术研究
| 论文题名： | 欠驱动无人船编队协同控制技术研究 |
| 关键词： | 欠驱动无人船;编队控制;领航跟随;虚拟结构;视线制导 |
| 摘要： | 近年来，随着无人船系统技术以及多智能体理论的普及和快速发展，无人船编队技术得到了广泛的关注。为满足实际需求，无人船系统已经由个体向集群，简单功能向复杂功能，单一环境向复杂环境发展，提高了作业效率，在军事和民用领域都具有广泛的应用前景。无人船编队协同控制问题作为构筑无人船编队系统的基础，近年来已成国内外学者研究的热点。本文针对不同任务要求下的无人船编队协同控制问题展开研究，并取得了如下的研究成果： 首先，针对无人船编队集中式控制问题，采用领航跟随法设计编队控制器进行无人船编队控制。考虑无人船参数不确定性，采用滑模控制理论来设计路径跟踪控制律，从而有效解决模型参数不确定问题。采用Lyapunov稳定性理论证明了无人船路径跟踪控制误差能有效收敛。最后在仿真平台对三艘无人船组成的编队进行仿真实验验证，结果表明所设计的控制器能较快地跟踪上期望路径，且有较好的稳定性。 其次，针对领航跟随编队系统过度依赖于领航者，导致编队系统灵活性、容错性较差问题，研究了将传统虚拟结构法与一致性算法相结合的编队控制方法。在实际航行中不可避免的要遇到岛礁等障碍物，为此进一步结合人工势场法研究有障碍物约束下的欠驱动无人船编队控制问题。分别对固定编队及编队避障进行仿真验证，结果表明采用该方法多无人船在保持编队队形的同时能够避开障碍物。 再次，现有研究大多针对无人船编队跟踪多条路径，然而在实际应用中，对于某些特殊的控制目标，例如编队护航、编队包围，或者有序通过某狭窄水域等，要求无人船编队协同跟踪上同一条参数路径，且保持固定的编队队形。因此，针对无人船编队跟踪一条闭曲线路径，提出一种结合视线制导与一致性算法的协同参数包围算法，设计分布式协同制导律，使得无人船编队均匀分布于该闭曲线路径上。同时考虑欠驱动无人船动力学模型的不确定性以及传统滑模控制产生的抖振问题，利用RBF神经网络逼近特性设计基于RBF神经网络的分布式自适应积分滑模控制器，保证无人船能够精确跟踪期望信号，从而提高系统抗干扰性和路径跟踪精度。 最后，针对无人船编队跟踪一条开曲线路径，提出一种将视线制导与一致性算法相结合的协同参数包含算法。为保证相邻无人船路径参数之间维持有一定的差值，在编队首尾引入两个虚拟领航者，设计分布式协同制导律，使无人船编队在两个虚拟领航者之间均匀分布，实现单路径上的分布式协同控制。仿真结果表明了所提出协同控制算法的有效性。 |
| 作者： | 施文煜 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 梁霄 |
| 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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