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原文传递面向区域搜索的UUV集群协同路径跟踪控制研究

论文题名：	面向区域搜索的UUV集群协同路径跟踪控制研究
关键词：	无人水下航行器;区域搜索;路径规划;跟踪控制;主动抗干扰控制;动态自组织重构
摘要：	随着新时期海洋战略的相继提出以及无人技术的日新月异，作为智能化海洋装备的无人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle, UUV)在军事领域使海战模式发生颠覆性变革，在民用领域催生了庞大的产业链。相比单个UUV系统，UUV集群系统在灵活性、容错性和协作性上具有明显优势，是人工智能发展的必然趋势，也是智能化无人海洋装备的重点研究领域。在此背景下，面向大范围、全方位、自主化的水下区域搜索任务，本文开展UUV集群协同路径跟踪控制研究工作，为满足区域搜索不同阶段需求提供理论基础和技术支撑。本文基于无人系统控制中的导航-制导-控制结构构建包含顶层运动学制导和底层动力学控制的双层分布式集群体系结构，并利用多智能体系统理论和现代控制理论，从运动学制导与动力学控制两个层次研究UUV集群协同路径跟踪控制问题。通过设计不同的集群协同路径跟踪制导与控制方法，形成一套面向区域搜索任务的技术方案。本文主要贡献如下：　　首先，针对目标区域高效率协同搜索需求，设计了基于多路径规划和引导的 UUV集群协同路径跟踪控制方法。在顶层制导设计中，考虑水下通信带宽限制，设计了仅需要路径参数信息交互的航速航向联合制导律。该制导方法利用了视线制导和信息一致性，使得UUV能够同步跟踪上多条期望的参数化路径。在底层控制设计中，考虑现有神经网络逼近精度不高和跟踪误差一致最终有界两种情况，先设计了基于伸缩变换因子和平移变换因子的小波神经网络逼近器，随后利用速度误差反馈设计了一种基于自适应逼近残差补偿的主动抗干扰动力学控制器，在提高干扰逼近精度的同时保证了跟踪误差的渐近稳定。在此基础上进一步考虑目标区域高效率搜索，提出了基于牛耕式多路径的全局路径规划方法，并利用非线性函数平滑处理了多条参数化路径，保证了区域全覆盖搜索和均匀搜索。仿真验证了多路径引导下UUV集群协同路径跟踪控制与全覆盖区域搜索方法的有效性。　　然后，针对布放与回收下的集群自组织需求，设计了单路径引导和支持动态组织重构的UUV集群协同路径跟踪控制方法。在顶层制导设计中，设计了单路径引导下的群体队形结构和基于有限时间侧滑观测的航速航向联合制导律，其中侧滑角观测器克服了现有研究成果中的小角假设和慢时变假设，联合制导律使得UUV集群能够以任意群体队形跟踪单条参数化路径。在底层控制设计中，构建包含模型参数摄动和未知环境干扰的集总不确定模型，并采用模糊逻辑系统逼近集总不确定项。考虑现有基于位置跟踪误差的自适应模糊逼近器难以实现干扰的快速抑制，通过预估误差设计模糊权重更新律，提高了集总干扰的暂态逼近性能。在此基础上进一步考虑复杂海洋环境下集群系统的自愈能力和扩展能力，提出了基于虚拟结构和局部信息交互的动态自组织重构策略，包括队形同构变换、队形异构变换、失效节点脱网和节点迟入网等，提高了集群系统的稳定性和抗毁性。仿真验证了单路径引导下UUV集群协同路径跟踪控制与动态自组织重构策略的有效性。　　最后，针对不同目标区域间的群体迁移需求，设计了无队形和障碍约束下的 UUV集群协同路径跟踪控制方法。在顶层制导设计中，考虑现有协同控制方法受限于固定的群体队形，缺乏灵活性和自适应性，构建了基于集群中心位置和成员离散度的集群运动模型，并设计了基于邻居信息交互的集群中心观测器。利用自组织集群运动模型和航速航向耦合制导机制，设计了基于耦合制导机制的无队形约束集群速度制导律。进一步，通过融入环形斥力至集群速度制导律，使得UUV能够以顺时针或逆时针方向绕行障碍物。在底层控制设计中，考虑动力学干扰未知问题，利用微分包含形式的有限时间控制方法设计了满足干扰一阶有界假设和二阶有界假设下的有限时间干扰观测器。针对UUV运动约束问题，利用非对称障碍型李雅普诺夫函数和有限时间控制方法设计基于干扰观测的有限时间主动抗干扰动力学控制器，确保各节点在运动约束下对制导速度的有效跟踪。仿真验证了无队形和障碍约束下UUV集群协同路径跟踪控制方法的有效性。　　综上所述，本文针对区域搜索不同阶段需求分别开展了相关研究，在顶层制导中设计了用于姿态同步的协同路径跟踪制导律，在底层控制中设计了基于干扰逼近或观测的主动抗干扰动力学控制器。基于搭建的虚拟样机视景仿真系统，开展了UUV集群协同作业仿真，包括固定队形下的多路径协同跟踪和单路径协同跟踪、无队形约束下的单路径协同跟踪、牛耕式水下区域搜索和集群动态自组织重构等。可视化仿真结果表明，本文所提出的协同路径跟踪控制方法具有较好的工程应用前景和加速UUV集群装备产业化的意义。
作者：	曲星儒
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	梁霄
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2022