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存在扰动情况下的水面无人艇编队控制研究
| 论文题名： | 存在扰动情况下的水面无人艇编队控制研究 |
| 关键词： | 水面无人艇;编队控制;收敛速度;稳定性 |
| 摘要： | 水面无人艇作为可靠的工作平台在未知海域资源勘探、事故人员搜救、近海环境保护、军事情报收集等领域肩负着重要的责任。单一无人艇执行指定任务时可靠性低，其无法满足在包含多种干扰和威胁的海洋环境下执行复杂任务的需求。为了消除单一无人艇的局限性，多艘无人艇进行协同作业将大幅提升工作效率和目标完成的可靠性。因此，研究存在内部未建模动态和外部扰动情况下的多无人艇编队控制，对实现我国海洋强国战略目标具有深远的研究意义。本文以水面无人艇为研究对象，主要研究工作如下： 第一，针对存在复杂内外部未知扰动情况下的多无人艇协同编队控制问题，本文采用领航-跟随编队框架，并将其细分为领航无人艇跟踪控制部分和多无人艇编队控制部分。然后设计一种既能保证快速收敛也能克服奇异性的终端滑模，并结合固定时间控制理论，提出一种基于非奇异快速终端滑模的领航无人艇跟踪控制策略。同时，将编队系统内部未知扰动和外部海域干扰视为集总扰动项，设计一种有限时间收敛的不确定扰动观测器进行实时有效的观测和逼近处理。在扰动处理之后，设计一种基于固定时间收敛的非奇异快速终端滑模的多无人艇编队控制器，精准的控制三艘无人艇保持期望编队队形。最后，通过稳定性证明和仿真，验证所设计控制策略和扰动观测器的有效性。 第二，为了进一步提升跟踪控制和编队控制系统的收敛速度和稳定性，并提高编队系统复杂扰动的辨识能力。本文设计一种非奇异积分终端滑模控制方法，有效解决一般非奇异终端滑模不具备全局快速收敛的弊端。然后结合固定时间控制理论，提出领航无人艇跟踪控制策略和多无人艇编队控制策略，进一步提升收敛速度，并将系统中存在的由内外部扰动组成的集总扰动项视为扩张状态变量，设计有限时间扩张状态观测器对该变量进行实时观测和处理。随后，通过Lyapunov第二方法对系统稳定性进行证明，并通过Matlab搭建仿真平台，验证所设计的多无人艇编队策略和观测器性能的优越性。 第三，为了整体消除系统初始状态对编队控制精度的影响，及观测器初始观测误差对扰动处理能力的影响。本文设计一种固定时间收敛跟踪控制策略和多无人艇编队控制策略，有效消除了初始状态对编队系统的影响。然后针对无人艇编队系统中存在的集总扰动项，设计一种固定时间收敛的扰动观测器，对该集总扰动项进行实时的观测和补偿处理，有效的消除了观测器初始观测误差对观测精度的影响，从而大幅提升多无人艇编队系统中扰动观测器性能。最后，通过严谨的理论推导和搭建平台仿真，验证所提出的多无人艇编队控制策略和固定时间扰动观测器的优越性。 |
| 作者： | 李仲昆 |
| 专业： | 轮机工程 |
| 导师： | 余明裕 |
| 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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