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原文传递无人艇组网通信与编队控制研究

论文题名：	无人艇组网通信与编队控制研究
关键词：	无人艇;组网通信;编队控制;覆盖效率
摘要：	海洋约占地球表面积的71%，其中蕴藏着丰富的矿产、能源与生物资源。从古至今，人类从未停止过对海洋的探索。特别是进入21世纪，随着科学技术的快速发展，探索和开发海洋逐渐成为世界关注的焦点。无人水面航行器（Unmanned Surface Vehicle）作为新型海洋装备，在水质检测，近海巡防等领域具有广阔的应用前景。多无人艇编队相比于单艇可以提高作业效率，完成更为复杂的任务，因此无人艇的编队运动控制问题成为当下的热点话题。无人艇的编队控制具有诸多难点如模型非线性、欠驱动特点以及强耦合性等。同时，在无人艇编队航行过程中，可靠、高效的通信系统是实现编队控制的基本保障，因此，设计面向多无人艇编队的通信网络架构，评估多无人艇编队的时延、丢包率等通信服务质量（Quality of Service）、设计多无人艇的编队运动控制算法、实现多无人艇组网通信与编队控制系统具有重要的研究意义。　　本文在分析了国内外关于编队控制与组网通信方面研究成果的基础上，在通信层面，分析了大规模、分布范围广的无人艇节点的通信需求，设计了结合无线自组网（Ad hoc网络）与远程通信技术的混合式通信网络架构并提出了改进的低功耗自适应集簇分层型算法（LEACH算法）实现无人艇的高效组网。同时，针对无人艇组网通信场景，分析了其通信信道模型与干扰模型，建立时延、丢包率的通信服务质量（QoS）评估方法，并针对无人艇几种典型的编队队形进行了通信服务质量的分析，进行了在通信时延约束下的无人艇菱形编队队形的优化设计。在编队运动控制层面，考虑了欠驱动无人艇的运动特点，基于领航-跟随者策略，采用滑模控制算法，设计了多无人艇编队位置保持控制器（刚性编队），使多无人艇能够形成并保持一个固定的期望队形协同航行。进一步地，本文考虑多个无人艇之间避碰的编队运动控制问题（柔性编队），基于人工势场法策略，采用分层级联化的控制思想设计了多无人艇柔性编队运动控制器。此外，本文基于低成本的无人艇试验平台进行了实际无人艇的组网通信系统测试，并在外场湖面进行了无人艇编队运动控制系统试验验证。本文系统性地分析并研究了无人艇的组网通信技术与编队控制器设计问题，具有一定的创新性与研究价值。具体的创新点与本文主要研究内容如下：　　（1）本文首先介绍了课题的研究背景并进行研究现状的概述，分析了无人艇组网通信与编队控制的研究中存在如下问题：1.缺乏面向多无人艇编队控制的通信系统整体架构的研究，现有无人艇控制系统设计大多采用数传电台、GSM或局域网等形式满足基本的通信需求，没有从整体架构上考虑大规模、分布范围广的无人艇节点间通信问题，具有一定的局限性。2.现有针对多无人艇编队的研究很少考虑通信服务质量（QoS）指标，无人艇节点间的端到端时延，丢包率对无人艇的控制效果具有影响，应提出适当的评价方法来分析评估无人艇编队的通信服务质量。3.无人艇编队的运动控制算法复杂度较高，对实际的无人艇编队控制试验研究不够充分。　　（2）针对上述情况，本文基于ARM平台、PWM电机舵机、GPS模块、ZigBee组网模块、4G-DTU等单元模块组建了低成本、模块化的无人艇硬件平台。在此基础上，介绍了无人艇载控制程序（嵌入式C）与地面监控程序（C#Winform）的软件功能、架构以及软件流程图，为本文后续的算法开发与实际试验验证提供无人艇软硬件平台，并介绍了无人艇的运动学与动力学模型。　　（3）本文设计了结合无线自组网与远程通信技术的面向多无人艇编队控制的分组分簇混合式通信网络架构，该架构可从硬件层面上实现大规模、分布范围广、具有移动性的无人艇节点之间高效和可靠的通信。在通信算法层提出了带有修正因子项的LEACH组网算法组织管理大规模无人艇节点间的通信。同时，考虑无人艇编队的通信场景，建立了无人艇通信信道与干扰模型，提出了以丢包率和时延为主的通信服务质量评估方法。并针对几种典型的无人艇编队队形进行了QoS仿真评估与分析。此外，本文考虑了多无人艇编队的覆盖问题，针对菱形编队队形在考虑时延约束的情况下，对菱形队形的长短边进行了优化设计来提高无人艇编队的覆盖效率。　　（4）本文在实现多无人艇组网通信的基础上，基于领航-跟随编队控制策略，滑模控制算法设计了无人艇刚性编队控制器，并通过仿真验证了无人艇刚性编队控制器可实现四条无人艇的菱形编队队形形成与保持，并对滑模控制算法与PID控制算法的控制效果进行对比分析。本文考虑多无人艇之间避碰，形成群集运动效果的柔性编队控制，基于人工势场法，引入虚拟领航者，在连通性保持条件下设计了群集运动控制律，并采用分层级联化控制的思想，将具有非线性动力学特性的无人艇柔性编队运动控制问题转换为无人艇跟踪动态目标问题，实现多无人艇的柔性编队运动控制，并针对静态和动态两种虚拟领航情形进行了柔性编队运动控制算法的仿真验证。　　（5）本文基于前述的低成本无人艇平台进行了多无人艇编队控制系统的软件测试与联调，开展了通信测试以及多无人艇编队控制的外场湖试。通过实验验证了多无人艇的菱形编队队形形成、保持以及切换队形的编队控制功能和多无人艇编队控制系统的有效性。
作者：	张少泽
专业：	轮机工程
导师：	向先波
授予学位：	硕士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2021