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基于模型预测的多无人船分布式队形控制研究
| 论文题名： | 基于模型预测的多无人船分布式队形控制研究 |
| 关键词： | 无人船;分布式队形控制;模型预测;扩张状态观测器 |
| 摘要： | 海洋因具有丰富的生物资源、矿产资源等自然资源而成为各国开发研究的重点。新时代信息技术和智能控制技术的发展使无人系统成为当前研究的热点，为海洋的探索提供新的思路。无人船以船型浮体为载体，搭载有动力系统、控制系统、通信系统和传感系统，通过控制端远程操控以完成各种任务。然而，仅依靠单体船舶无法完成在广阔水域大面积作业的目标，多无人船协同控制能有效弥补单船作业的不足，从而提高在复杂水域作业的能力，所以多无人船协同控制对推动我国海洋事业的发展有重大意义。 本文以欠驱动无人船为研究对象，研究一类在模型不确定、未知海洋扰动情况下的无人船编队分布式队形控制问题。主要研究内容如下： 第一，针对模型参数不确定、海洋扰动不可测和邻居无人船速度未知的多无人船队形控制问题，提出一种单路径导引分布式多无人船队形控制方法。在运动学层级，设计扩张状态观测器估计邻居速度相关项，结合路径跟踪原理和一致性方法设计分布式队形控制运动学制导律；在动力学层级，引入扩张状态观测器估计未知海洋扰动和模型不确定性，针对控制输入约束设计基于扩张状态观测器的有限集模型预测控制律。采用Lyapunov稳定性定理证明了闭环制导系统以及扰动观测器的稳定性。仿真结果验证所提的基于模型预测和扩张状态观测器的多无人船队形控制方法的有效性。 第二，在上述研究基础上，针对模型参数不确定、未知海洋扰动的多无人船队形控制问题，提出一种多路径导引分布式多无人船队形控制方法。首先，设置基于事件的固定阈值触发方式，结合包含操纵原理和一致性方法设计非周期通信的事件触发运动学制导律；接着，设计非周期通信的事件触发协同路径更新律。然后，通过Lyapunov稳定性定理证明闭环制导系统的级联稳定性，证明事件触发机制中不存在芝诺行为。最后仿真验证在事件触发机制下的多路径导引无人船队形控制方法的有效性。 第三，针对模型参数不确定、海洋扰动不可测和邻居无人船速度未知的多无人船队形控制问题，提出一种多路径导引分布式多无人船队形控制方法。在运动学层级，设计固定时间扩张状态观测器估计邻居速度相关项，在考虑状态约束情况下建立分布式模型预测制导律；在动力学层级，引入固定时间扩张状态观测器对速度和角速度方向上的总体扰动进行估计，针对控制输入约束设计基于固定时间扩张状态观测器的有限集模型预测控制律。采用固定时间稳定性定理证明了扰动观测器是固定时间稳定的。仿真结果验证所提的基于分布式模型预测的多路径导引无人船队形控制方法的有效性。 |
| 作者： | 姜继洲 |
| 专业： | 电气工程 |
| 导师： | 彭周华;王丹 |
| 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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