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原文传递多无人艇分布式目标状态估计与协同跟踪

论文题名：	多无人艇分布式目标状态估计与协同跟踪
关键词：	无人艇集群;协同跟踪;安全避碰;目标状态估计;扩张状态观测器
摘要：	海洋关系国家安全和人类可持续发展，是各国竞相争夺的蓝色疆土。当前，海上作业模式呈现出无人化、智能化、网络化等重要发展趋势，无人艇是改变未来作业模式的重要载体。多无人艇协同作业可以完成单一无人艇不能高效完成或无法完成的复杂任务，在军事和民用领域中获得广泛应用。根据运动场景的不同，协同控制技术主要分为协同路径跟踪、协同轨迹跟踪、协同目标包围、协同目标跟踪等。其中，协同目标跟踪控制技术在对非合作目标实施探测、识别、捕获、跟踪过程中作用突出，典型应用包括“蜂群”跟踪、协同目标打击、海上溢油围捕等，成为近年来备受关注的研究热点之一。本课题选取无人艇为研究对象，系统研究了多无人艇协同单目标和多目标的跟踪控制问题。课题主要工作如下：　　第一，研究了感知信息不完全、模型参数不确定、海洋环境扰动下的多无人艇分布式目标状态估计与协同跟踪问题，提出了分布式分层协同单目标估计与控制结构。在通信层级，设计了基于单向通信拓扑的分布式扩张状态观测器，实现了对非合作目标速度与位置的分布式估计；在控制层级，设计了仅需要相对视距距离的降维扩张状态观测器，不仅实现了对未知动力学不确定性的估计，而且简化了观测器的结构。设计了基于降维扩张状态观测器的抗干扰位置跟踪控制律，提高了协同目标跟踪的抗干扰能力。采用级联系统稳定性分析证明了闭环系统是输入状态稳定的。此外，证明了闭环系统内跟踪误差是一致最终有界的。仿真结果验证了所提方法的有效性。　　第二，研究了同时存在通信资源受限与通信时延下的多无人艇分布式目标状态估计与协同跟踪问题，提出了事件触发分层协同单目标估计与控制结构。在通信层级，设计了时延分布式事件触发扩张状态观测器，得到了能够保证估计系统稳定的时延上界，不仅有效减少了网络通信频次，而且揭示了时延上界与通信拓扑的本质联系；在控制层级，提出了基于降维扩张状态观测器的事件触发位置跟踪控制律，显著减少了执行机构动作频次。稳定性分析证明了多无人艇闭环系统是输入状态稳定的，且闭环系统中的误差信号是一致最终有界的。证明了所提事件触发机制不存在芝诺现象。仿真结果验证了所提方法的有效性。　　第三，研究了存在拒绝服务攻击下的多无人艇分布式目标状态估计与协同跟踪问题，提出了基于状态预估器的分层协同单目标估计与控制结构。在通信层级，设计了基于状态预估器的分布式边缘触发扩张状态观测器，不仅实现了通信链路阻塞下对非合作目标速度与位置的分布式观测，提高了估计系统的安全性，而且相较于基于点触发的事件触发机制，所提方法触发条件仅取决于节点间的相对信息，而不是节点与其所有邻居间的全部信息之和，从而进一步节约了通信资源；在控制层级，设计了固定时间扩张状态观测器与固定时间控制律，实现了估计误差与跟踪误差在固定时间内收敛。稳定性分析证明了闭环系统中误差信号是有界的。证明了所提基于边缘触发的触发机制不存在芝诺现象。仿真结果验证了所提方法的有效性。　　第四，研究了动静态碍航物约束下的多无人艇分布式目标状态估计与协同跟踪问题，提出了分层最优安全协同多目标估计与控制结构。在通信层级，设计了分布式合围扩张状态观测器，实现了对由多个速度未知目标状态所张成凸包的准确估计；在制导层级，将避碰避障约束融入到优化制导律设计中，构建了基于控制障碍函数的二次优化问题，得到了最优安全制导律，避免了无人艇集群之间以及无人艇与动静态碍航物之间的碰撞；在控制层级，提出了基于自适应扩张状态观测器的无模型动力学控制律，在无需任何模型参数下，实现了多跟随无人艇收敛到由多目标所张成的凸包内。稳定性分析证明了闭环系统中误差信号是一致最终有界的，且闭环系统是输入状态安全的。仿真结果验证了所提方法的有效性。
作者：	高胜男
专业：	船舶电气工程
导师：	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