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原文传递欠驱动多无人船抗干扰包含操纵与安全避碰

论文题名：	欠驱动多无人船抗干扰包含操纵与安全避碰
关键词：	欠驱动无人船;包含操纵控制器;扩张状态观测器;多参数化路径导引;分布式二次优化
摘要：	海洋蕴藏着丰富的自然资源，对海洋开展高效的勘探、开发和保护工作能够为人类的可持续发展提供坚实保障。无人船作为一种探索海洋的新型工具，能够承担多样化的海洋作业任务，特别是多无人船协同作业能够大幅提高作业效率、降低作业成本、提高系统的容错能力，在军用和民用领域都展现出了极其重要的应用价值。在多无人船关键技术领域中，多无人船协同编队控制问题成为近年来备受关注的研究热点和前沿性课题之一。本文以欠驱动无人船为研究对象，系统研究了欠驱动无人船集群系统抗干扰包含操纵与安全避碰问题。论文的主要工作如下：　　首先，本文研究了固定拓扑下存在模型参数不确定和时变风浪流扰动的欠驱动无人船集群包含操纵控制问题，提出了制导-控制两层结构的欠驱动多无人船抗干扰包含操纵控制器。在制导层级，基于包含控制原理和辅助变量法，提出了基于多参数化路径导引的分布式编队-包含操纵制导律，实现了时空解耦的编队-包含队形，克服了欠驱动带来的设计挑战；提出了基于分布式偏差的路径参数更新律，使得多虚拟领导者之间可以通过指定偏差形成不同的预设编队队形；在控制层级，提出了基于二阶扩张状态观测器的强指令跟踪抗干扰动力学控制律，提高了包含操纵的抗干扰性能。稳定性分析证明了闭环系统是输入状态稳定的，且误差信号是一致最终有界的。仿真结果验证了所提抗干扰包含操纵控制器的有效性。　　然后，本文研究了切换拓扑下存在时变风浪流扰动的动力学模型参数完全未知的欠驱动无人船集群包含操纵控制问题，提出了通信-制导-控制三层结构的切换拓扑下抗干扰包含操纵控制器。在通信层级，基于包含控制原理，提出了多参数化路径导引的分布式包含运动生成器，生成了切换通信拓扑下无人船包含运动参考点；在制导层级，设计了基于双偶极向量场的制导律，实现了切换通信拓扑下包含操纵队形的光滑变换；在控制层级，提出了基于历史数据学习的数据驱动自适应扩张状态观测器，实现了对系统未知动力学和未知控制输入增益的同时估计。采用所提控制器，在模型参数完全未知的情形下，欠驱动多无人船能够在切换通信拓扑下收敛到由多虚拟领导者导引的凸包内。稳定性分析证明了闭环系统是输入状态稳定的，且误差信号是一致最终有界的。仿真结果验证了所提切换通信拓扑下抗干扰包含操纵控制器的有效性。　　随后，本文研究了无速度传感器情形下，存在静态障碍物约束、模型参数不确定、时变风浪流扰动的欠驱动无人船集群包含操纵与安全避碰控制问题，提出了制导-控制两层结构基于观测器的有限时间收敛抗干扰包含操纵与安全避碰控制器。在制导层级，基于辅助变量法和人工势能函数，提出了有限时间收敛分布式包含操纵制导律，避免了无人船集群之间以及无人船与障碍物之间发生碰撞；在控制层级，提出了三阶有限时间扩张状态观测器，实现了对无人船速度和未知动力学的同时观测；结合非线性跟踪微分器，实现了无需速度传感器的强指令有限时间输出反馈控制。稳定性分析证明了闭环系统中所有误差信号是有界的，且当欠驱动多无人船处于避碰区域外时，能够实现有限时间包含操纵控制。仿真结果验证了所提基于观测器的有限时间抗干扰包含操纵与安全避碰控制器的有效性。　　最后，本文研究了动静态障碍物约束和输入约束下，存在模型参数不确定和时变风浪流扰动的欠驱动无人船集群包含操纵与安全避碰控制问题，提出了标称-优化-控制三层结构的严格安全抗干扰包含操纵控制器。在标称层级，基于固定时间扩张状态观测器，设计了北东地坐标系下的标称包含操纵控制律，实现了多参数化路径导引的包含操纵队形；在优化层级，将输入约束和动静态障碍物约束融入到优化控制律设计，构造了基于输入状态安全控制障碍函数的分布式二次优化问题，提出了基于有限时间收敛递归神经网络的在线优化方法，得到了最优安全控制律；在控制层级，基于最优安全控制律，设计了无人船最优控制输入，避免了无人船集群之间以及无人船与障碍物之间的碰撞。稳定性与安全性分析证明了闭环系统中所有误差信号是一致最终有界的，且欠驱动无人船集群闭环系统是输入状态安全的。仿真结果验证了所提严格安全抗干扰包含操纵控制器的有效性。
作者：	古楠
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：	2022