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原文传递欠驱动无人水面船舶的有限时间路径跟踪与编队控制

论文题名：	欠驱动无人水面船舶的有限时间路径跟踪与编队控制
关键词：	无人水面船舶;路径跟踪;协同编队;有限时间控制;事件触发
摘要：	无人水面船舶(简称“无人船”)作为海洋运载体典型的无人智能平台，能够完成多样化的海洋作业，是海洋开发和国防建设中不可或缺的一种运载体，无人船的智能控制问题得到世界多国日益广泛的关注和研究。多数无人船具有强耦合、欠驱动和状态受限等非线性特性，其运动控制存在会受到操纵约束和外界干扰等影响。鉴于有限时间控制具有收敛速度快、抗扰性强、控制精度高等优点，本文以有限时间控制方法为基础，针对欠驱动无人船的单船路径跟踪和多船协同编队问题进行了系统研究，主要完成了以下研究工作：　　1.研究了参数化路径导引的单无人船路径跟踪问题。首先，针对位置跟踪误差收敛慢的问题，在传统基于视线(Line-of-sight,LOS)方法的基础上，设计有限时间LOS制导律，使得位置跟踪误差能够在有限时间内快速收敛到原点。考虑到速度的横向与纵向分量在实际中难以通过传感器获取，设计有限时间速度观测器，既能够准确估计船舶的速度分量，又能在制导律中对时变漂角进行补偿。考虑到执行器会受到物理限制，设计新型带有分数幂的辅助动态系统来解决输入饱和的问题，并结合滑模技术，提出有限时间前向速度与艏摇控制律。应用级联系统稳定性分析证明了整个闭环系统是全局有限时间稳定的，且整个系统具有较少的调节参数。随后，考虑到海流干扰和模型不确定性，无人船的速度受海流影响较大。为解决无人船漂角和流速同时未知的问题，结合有限时间自适应预估器、神经网络预估器与积分LOS技术，提出基于预估信息的有限时间制导-控制方法，实现了对无人船漂角和流速的同时估计与补偿，其中神经网络预估器可实现对模型不确定性的精确逼近。应用稳定性理论证明了闭环系统是实际有限时间稳定的。仿真结果验证了所提控制方法的有效性。　　2.在单船路径跟踪的基础上，对单路径导引的多船协同编队问题进行了研究，设计了两种协同编队控制策略，实现了不同的编队队形。首先，考虑到模型不确定性、外界扰动以及无人船速度未知的问题，设计三阶有限时间观测器来快速精确估计总体不确定性和船舶速度。为了节省通信资源，与多数基于无向通信的协同编队方法不同，结合微分跟踪器和分布式跟随制导策略，提出了基于有向通信的有限时间协同编队控制方法，其中相邻船舶之间的信息传递是单向的，实现了多船同时跟随动态目标且相邻船保持相同间距的队形。稳定性分析证明了该闭环编队控制系统是实际有限时间稳定的。随后，结合分布式环形制导策略和LOS技术设计了基于有向通信的有限时间环形协同制导策略，同时，考虑到无人船的执行器饱和问题，在控制回路设计了带有平滑函数的分数幂次辅助动态系统，最终实现了多船对动态目标的跟踪与等弧长环绕，使得所有无人船在任意时刻均匀分布在动态目标的周围。应用稳定性理论证明了该闭环编队控制系统具有实际有限时间稳定性。仿真结果验证了所提控制方法的有效性。　　3.在单路径导引的多船协同编队的基础上，研究了基于多路径导引的无人船协同编队控制问题，并将控制对象扩展到更接近实际的非对称模型无人船。首先，针对时变扰动和模型不确定性，设计二阶有限时间观测器来精确估计总体不确定性。结合分布式制导策略，提出基于事件触发的有限时间协同包容控制方法，实现了领导-包容队形。其中将事件触发机制应用在传感器至控制器的传输通道上，并且引入动态面控制方法解决事件触发引起的虚拟控制律跳变问题。与现有的静态事件触发机制不同，设计基于系统输出信息的动态触发条件，从而在最大限度降低通信负担的同时保证触发的高效性，以达到良好的控制性能。稳定性分析证明了所设计的闭环编队控制系统是实际有限时间稳定的。随后，考虑到无人船之间的通信资源受限问题，结合所设计的邻船信息预估器，对无人船之间的通信设计基于编队误差信息的事件触发机制，进而提出一种非周期通信的有限时间协同包容控制方法，有效降低了通信负担。稳定性分析证明了所设计的闭环编队控制系统是实际有限时间稳定的，且所设计事件触发控制器不会出现Zeno现象。仿真结果验证了所设计控制方法的有效性。
作者：	李明聪
专业：	控制理论与控制工程
导师：	郭晨
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2022