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原文传递基于向量场导引的无人艇编队控制和安全队形重构

论文题名：	基于向量场导引的无人艇编队控制和安全队形重构
关键词：	无人艇;编队控制;队形重构;向量场导引
摘要：	随着水上无人技术的快速发展,无人船凭借其成本低、机动性好和无人员伤亡的优点,已成为执行海洋环境监测、水上搜救等各类任务的重要工具。为了扩大无人船的作业范围、提高无人船作业时的容错能力和资源利用率,多船协同这种作业方式得到了越来越多的青睐。　　本文研究了基于向量场导引的多无人艇编队控制与队形重构问题，具体研究工作包括以下三方面：　　第一，针对海上组网通信受限条件下的多无人艇编队控制问题，提出了基于事件触发机制、自触发机制和向量场的协同路径跟踪方法。首先，提出了基于三维协同向量场的运动制导律，并设计了基于事件触发机制的协同参数更新率，降低了通信次数的同时实现了并列编队队形。接着，设计了基于自触发机制的协同参数更新率，进一步降低了通信次数并且避免了持续监听，同时保持了编队效果。相比于传统的需要实时通讯的协同路径跟踪方法，该方法大大减少了通讯负担。最后，进行了硬件在环(Hardware In the Loop, HIL)对比仿真和对比实验，验证了所提基于事件触发机制和自触发机制的协同路径跟踪方法能够有效降低网络通信负担、减少执行器动作频率。　　第二，针对在多碍航物环境下的多无人艇安全队形重构问题，提出了一种基于双偶极向量场和控制障碍函数(Control Barrier Function, CBF)的安全队形重构方法。首先，基于双偶极向量场和反步法设计了标称点对点制导律，包括制导角速度和制导前向速度，保证了无人艇与静态碍航物之间无碰撞；然后，提出基于距离的一阶CBF得到前向速度的安全约束，构造二次规划(Quadratic Programming, QP)问题对制导前向速度进行优化，求解出最优制导前向速度，同时满足CBF安全距离约束和控制输入约束，保证无人艇与动态碍航物、邻居无人艇之间无碰撞。相比于现有的无人艇队形重构方法，该方法同时考虑了静态障碍物、动态障碍物以及船体间的避碰，更加符合实际工程实践中的需求。最后，通过HIL仿真验证了所提安全队形重构方法的有效性。　　第三，针对固定时间多无人艇安全队形重构问题，提出了一种基于双偶极向量场、固定时间控制李雅普诺夫函数(Fixed-time Control Lyapunov Function, FT-CLF)和固定时间控制障碍函数(Fixed-time Control Barrier Function, FT-CBF)的安全队形重构方法。首先，基于向量场设计了一阶FT-CLF制导角速度约束，通过构造QP求解出最优制导角速度信号，同时满足FT-CLF约束与控制输入约束，保证了无人艇与静态碍航物之间无碰撞的同时能够在固定时间内收敛到期望航向。然后，基于距离设计了一阶FT-CBF和FT-CLF前向速度约束，构造QP对制导前向速度进行了优化，求解出最优制导前向速度，同时满足FT-CLF约束、FT-CBF约束和控制输入约束，保证了无人艇与动态碍航物、邻居船之间无碰撞。最后，通过HIL仿真和实验结果验证了所提出方法的有效性。
作者：	龚小旋
专业：	电气工程
导师：	刘陆;彭周华
授予学位：	硕士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2022