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基于模型预测的水下滑翔机编队通信时延处理
| 论文题名： | 基于模型预测的水下滑翔机编队通信时延处理 |
| 关键词： | 水下滑翔机;编队运行;通信时延;模型预测 |
| 摘要： | 水下滑翔机作为一种新兴的自动化水下无人载具，工作时间长、可达领域大、能量消耗低等优点使其在军事侦察、科研观测、考古搜索等领域都得到了广泛的应用。当前我国的水下科考已逐渐走出内河和近海，向太平洋、印度洋等深远海发展。而随着探测深度的增加，海洋的多径效应、时变效应增强，环境更为复杂，水下滑翔机的编队通信时延也相对于内河和近海更大，编队的工作效率变低、安全隐患增加，水下通信时延也成为了制约水下滑翔机发展的重要问题。当前水声通信设备发展缓慢，普通的通信方法难以解决通信时延问题。因此，本文为了解决深海高通信时延对水下滑翔机编队工作产生负面影响的问题，提出了一种基于模型预测控制的时延处理方法，经过仿真验证，时延处理方法将水下滑翔机编队的稳态震荡系数平均降低了35.31%，能有效抑制高时延对水下滑翔机编队的负面影响。本文的主要研究内容如下： 将滑翔机视为具有6个自由度的刚体，从单体滑翔机的运动学模型入手，在给出了单体水下滑翔机动力学模型后，对单体滑翔机动力学模型进行了Lyapunov稳定性分析，得到了单体滑翔机Lyapunov稳定的结论。利用人工势场法连接起编队成员，建立了零时延条件下的水下滑翔机编队运动学模型与动力学模型。 分析并说明了时延处理的可行性与必要性，从互相关时延估计方法入手，利用广义互相关时延估计法，结合水下滑翔机运行实际情况，得出了水下滑翔机编队通信时延估计的理论方法。基于上文得出的水下滑翔机编队动力学模型，将通信时延纳入模型变量，通过理论推导进一步得出了更贴近实际的的水下滑翔机编队动力学模型。并基于此模型，结合模型预测控制的相关理论，详细分析了编队的通信流程，使用Simulink搭建了适用于水下滑翔机编队通信时延处理的预测控制模型，并给出了反馈校正与滚动优化方法。测试表明，此时延处理方法可以显著改善高通信时延下的水下滑翔机编队运行情况。 设置了水下滑翔机编队目标合围任务的测试环境和水下滑翔机编队的测试参数。分别测试了双滑翔机、三滑翔机以及四滑翔机编队的编队安全性能，得到了较好结果。给出了水下滑翔机编队的两种任务模式：俯仰式行进和目标合围深潜，为了测试基于模型预测控制的时延处理方法，使用Matlab构建了目标合围的仿真环境，对目标合围任务进行了路径规划仿真。测试结果表明，基于模型预测控制的通信时延处理器能够很好的抑制通信时延对编队的影响。 |
| 作者： | 牟春晓 |
| 专业： | 交通运输工程 |
| 导师： | 李广儒 |
| 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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