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面向围捕任务的水面无人艇编队控制方法研究
| 论文题名： | 面向围捕任务的水面无人艇编队控制方法研究 |
| 关键词： | 水面无人艇;围捕任务;协同编队;控制方法 |
| 摘要： | 由于多水面无人艇(Multi-Unmanned Surface Vessel，Multi-USV)编队相较于单艇(Unmanned Surface Vessel，USV)具有更为全面的目标感知能力、更高的任务执行效率、更强的编队队形自适应能力和鲁棒性等优点，受到科研工作者的广泛关注。而面向围捕任务的多水面无人艇编队控制方法研究则是在传统水面无人艇编队控制研究的进一步深化探讨，此时不仅要面临考虑无人艇自身的强耦合、欠驱动、环境时变干扰和模型参数不确定的特性，而且还要考虑面向围捕过程中由于艇载的设备性能限制造成的目标状态信息局部已知、多水面无人艇编队内部通信不持续的等限制因素。论文主要内容如下: 首先，针对多水面无人艇编队目标轨迹跟踪控制器的设计要求，建立了三自由度的USV运动模型，并介绍后续所使用的控制方法及相关稳定性理论。 其次，在USV模型参数不确定和围捕目标运动状态信息完全已知的前提下，利用围捕目标的运动状态信息设计基于自适应动态面控制的编队动态目标轨迹跟踪控制算法，从而实现对围捕目标的“护航式”队形围捕，并通过仿真测试去验证面向围捕任务的编队目标轨迹跟踪控制器的围捕性能及抗干扰能力。 再者，在前面的研究基础上考虑由于艇载设备性能的限制，导致围捕目标运动状态信息编队局部已知，设计一款只需围捕目标的测量位置信息的分布式扩张状态观测器(Extended State Observer，ESO)，从而实现对围捕目标全运动状态的估计。同时在反步法的指导思想下，基于视线导引法(Line Of Sight，LOS)和自适应技术设计了面向围捕任务的多水面无人艇编队目标轨迹跟踪控制算法，实现对围捕目标的“护航式”队形围捕，并通过仿真测试验证面向围捕任务的编队目标轨迹跟踪控制器的性能及抗干扰能力。 最后，聚焦现实工程应用中多水面无人艇编队通信网络常无法持续来计算和传送信息，提出基于围捕目标位置采样数据的分布式估计器，从而得到编队中各个无人艇期望的运动状态，此时多水面无人艇编队协同目标跟踪控制问题可以转换为单艇误差控制问题。在反步法的制导思想下，利用滑模控制和自适应控制技术设计了面向围捕任务的编队目标轨迹跟踪控制器，实现对围捕目标的“护航式”队形围捕，最后通过仿真测试去验证面向围捕任务的编队目标轨迹跟踪控制器的性能及抗干扰能力。 |
| 作者： | 张传林 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 张磊;任毅 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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