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原文传递圆碟形水下滑翔机集群路径规划与协同控制

论文题名：	圆碟形水下滑翔机集群路径规划与协同控制
关键词：	水下滑翔机;路径规划;协同控制;事件触发机制
摘要：	21世纪是海洋的世纪，我国是拥有300万平方公里主张管辖海域、1.8万公里大陆海岸线的海洋大国，关心海洋、认识海洋、经略海洋，加强海洋观测与探测，事关国家战略安全与长远发展。水下滑翔机(UnderwaterGlider，UG)是用于预警探测、反潜侦察、海洋观测、资源探测、搜救打捞的重要工具，在军事和民用领域都有着广泛的应用。在众多UG关键技术领域中，集群路径规划与协同路径跟踪问题是备受关注的研究热点和前沿性课题之一。本文以国家重点研发计划资助研发的圆碟形UG为研究对象，研究了欠驱动圆碟形UG集群的路径规划与协同控制问题，主要工作如下：　　1.考虑海流干扰和水下碍航物的影响，研究了欠驱动圆碟形UG集群的三维路径规划问题。现有关于海洋航行器的路径规划多适用于单个水下航行器，无法满足海洋航行器集群的路径规划需求。而且，现有海洋航行器集群路径规划方法多适用于二维水平面，不能满足UG集群开展三维海洋观测的实际需求。为解决上述问题，本文采用了一种基于全局规划与局部规划相结合的双层协调三维路径规划结构。具体的，第一，提出了一种基于全局与局部双层协调的多UG路径规划结构，保证了UG在沿全局最优路径航行时，能够灵活调整局部路径。第二，根据圆碟形UG的航行特点和设备配置，建立了圆碟形UG的能量消耗模型和航行时间模型，设计了三维路径规划的优化目标。第三，基于所提双层协调结构，分别采用基于量子行为的自适应粒子群优化方法和偏差最小一致方法，完成了能耗最优和时间最优目标下多圆碟形UG的三维路径规划，避免了UG与碍航物以及UG之间发生碰撞。仿真结果验证了所提多UG三维路径规划方法的有效性。　　2.针对具有非线性、强耦合、多输入多输出、不确定、强扰动、输入受限等综合复杂性的多圆碟形UG系统，研究了欠驱动圆碟形UG集群的纵平面协同路径跟踪控制问题。由于圆碟形UG内部姿态调节滑块的滑道长度和浮力调节油囊的体积均有物理限制，使得UG执行机构的动作能力有限，因此需要考虑执行机构的输入受限这一实际问题。另外，圆碟形UG仅配备电子罗盘、深度仪等导航设备，由于设备数量少、精度低，且受固有测量误差、累计偏差和海流影响，因此需要考虑UG速度信息较难获得而导致状态信息不完全的实际情况。为解决上述问题，本文提出了基于状态反馈和输出反馈的协同下潜控制器。具体的，第一，根据建立的圆碟形UG数学模型，考虑了UG姿态调节滑块的有限位置和浮力调节机构的有限质量，结合投影算子和饱和函数设计了一种自适应有界协同路径跟踪模糊控制器，所提控制器是输入有界的。第二，针对速度不可测情形，提出了基于输出反馈的低频学习模糊状态观测器，不仅完成了对未知动态和速度信息的同时观测，而且保证了学习信号的低频特性，实现了多圆碟形UG纵平面协同下潜。应用级联系统稳定性分析方法，分别证明了闭环系统是输入状态稳定的，仿真结果验证了所提状态与输出反馈协同路径跟踪控制器的有效性。　　3.针对水下窄带宽、低载波频率的弱通信环境中具有综合复杂性的多圆碟形UG系统，研究了欠驱动圆碟形UG集群的三维协同路径跟踪控制问题。由于圆碟形UG集群在水下立体空间滑翔，现有海洋航行器的协同控制方法仅适用于二维平面，无法满足UG集群三维作业的实际需求。另外，为保持队形，UG之间需要连续地交换路径信息，因此对通信资源要求较高，而这需要大量能耗且在实际应用中实现困难。为解决上述问题，本文提出了非周期触发的圆碟形UG三维协同路径跟踪控制器。具体的，第一，通过建立流体坐标系设计了三维协同路径跟踪模糊控制器，提出了基于事件触发机制的路径更新律，有效地降低了通信次数。第二，设计了基于自触发机制的三维协同路径跟踪模糊控制器，不仅降低了通信次数，实现了非周期监听，大大降低了通信负担和通信能耗，而且实现了集群规划路径的协同跟踪。应用级联系统稳定性分析方法，分别证明了闭环系统是输入状态稳定的，仿真结果验证了所提事件触发和自触发三维协同控制器的有效性。
作者：	王浩亮
专业：	船舶电气工程
导师：	王丹;彭周华
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2021