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基于模型预测的船舶编队通信保持和避碰控制
| 论文题名： | 基于模型预测的船舶编队通信保持和避碰控制 |
| 关键词： | 水面船舶;编队控制;通信保持;成员避碰;模型预测控制 |
| 摘要： | 随着科学技术的进步和海洋经济的发展，水面船舶成为了探索和开发海洋的重要工具。相较于单船作业，船舶编队可以扩大作业范围，提高工作效率，因此更适用于复杂的海上任务。由于编队作业在资源勘探、海底地形测绘、环境监测、安防救援和海上补给等方面具有广阔的应用前景，船舶的编队控制也引起了国内外学者的广泛关注，并成为船舶与控制领域中的研究热点问题之一。因此，本文立足于现有船舶编队控制的发展动态，提出了基于模型预测的船舶编队通信保持和避碰控制方法。论文的主要工作包括以下几个方面： （1）针对存在通信连接受限的全驱动船舶编队集结问题，提出了基于分布式制导的全驱动船舶编队集结方法。首先，采用一致性方法设计了船舶编队的制导系统；然后，将船舶编队和障碍物之间的距离限制转化为输出约束，将编队成员的执行器限制转化为输入约束，并利用模型预测控制方法设计了编队成员的运动控制器；最后，仿真结果和对比分析验证了所提方法在切换通信拓扑以及环境中存在多个障碍物条件下的有效性，实现多艘全驱动船舶在指定位置的编队集结。 （2）考虑通信成本与环境干扰问题，提出了基于积分型模型预测的船舶编队跟踪方法。首先，基于最小树形图方法优化船舶编队的通信拓扑，在此基础上设计编队成员的制导系统；其次，将编队成员之间的通信距离保持和成员之间的避碰转化为输出约束；然后，为了减少环境干扰导致的跟踪误差，设计基于积分模型预测的船舶编队控制器；最后，仿真结果和对比分析验证了所提出船舶编队跟踪方法的有效性，所提方法可以降低编队的通信成本，减少系统的跟踪误差，实现多艘全驱动船舶对指定轨迹的编队跟踪。 （3）针对编队中成员之间的通信距离受限、冲突碰撞以及成员与环境中障碍物的碰撞问题，提出了基于非线性模型预测的船舶分布式编队通信保持与避碰控制方法。首先，针对单艘欠驱动船舶的运动控制，将执行器限制转化为输入约束，设计基于非线性模型预测的船舶轨迹跟踪方法；其次，将编队成员之间的通信保持、避碰以及成员与障碍物之间的避碰问题转化为输出约束；然后，结合事件触发机制减少优化问题计算次数，设计基于事件触发非线性模型预测方法的船舶分布式编队控制器；最后，仿真结果和对比分析验证了所提方法的有效性，所提方法能够提高编队的安全性，有效降低计算次数，实现多艘欠驱动船舶的编队通信保持和避碰控制。 |
| 作者： | 胡启智 |
| 专业： | 交通信息工程及控制 |
| 导师： | 刘程 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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