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原文传递多无人潜航器在弱通信下协调控制方法研究

论文题名：	多无人潜航器在弱通信下协调控制方法研究
关键词：	多无人潜航器;弱通信条件;一致性控制;包容控制
摘要：	水下无人潜航器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)是以水下为活动场所，能够自主控制、自主决策、可回收和可反复使用的水下机器人，下文简称无人潜航器。无人潜航器无论在军用方面还是民用方面都有广泛的应用，例如从海洋科学调查、失事沉船和飞机的检查，到情报监视侦查、反水雷和反潜探测等。但是，单一无人潜航器由于其携带能源有限及装备负载有限，无法应对复杂的海洋环境，也无法满足完成多任务和复杂任务的需求。　　近年，多个水下无人潜航器（Multiple Unmanned Underwater Vehicles，Multi-UUVs）因其能够充分利用资源，协同完成预定目标，已成为水下机器人领域的研究热点之一，下文简称多无人潜航器。尽管多无人潜航器有诸多优势，但是在复杂的海洋环境中实现多无人潜航器自主协调控制存在着诸多挑战。第一个挑战是如何设计合理的协调控制算法。多无人潜航器是一个复杂的系统，如果缺乏合理高效的协调控制方法，多无人潜航器系统无法体现整体优势，甚至还会出现相互冲突、碰撞等危险情况。第二个挑战是多无人潜航器之间通信受到弱通信情况的约束。多无人潜航器在水下航行主要通过水声信道传输信息，由于水声通信是无线通信中最困难的通信，容易造成多无人潜航器之间通信存在通信时延、时变通信、带宽有限等弱通信情况，影响多无人潜航器系统的整体性能。第三个挑战是无人潜航器受到海洋环境干扰和模型不确定性等干扰。在真实海洋环境下，无人潜航器受到风、浪和流等干扰同时也受到模型不确定的干扰，这些干扰会给多无人潜航器系统的稳定性带来不利的影响。　　在上述背景下，本课题主要以多无人潜航器系统作为研究对象，目的是设计多无人潜航器协调控制方法，使得多无人潜航器能够有效协调完成不同任务。针对不同的任务，从三个方面解决多无人潜航器系统协调控制问题:无领航多无人潜航器协调控制问题、单领航多无人潜航器协调控制问题、多领航多无人潜航器协调控制问题。针对这三个问题，分别从水声通信存在带宽有限、通信时延，时变通信等弱通信特征，从海洋环境干扰和模型不确定性干扰角度，讨论多无人潜航器在弱通信下协调控制问题。　　论文的主要内容分为如下几个部分: 　　1、考虑到无人潜航器模型是非线性、强耦合模型，其控制方法受到系统的复杂性限制，为了解决这个问题，本文通过反馈线性化方法将复杂的无人潜航器模型转化为线性二阶模型，以便应用先进的线性系统控制方法，实现多无人潜航器系统协调控制。并根据不同的任务设计了三种多无人潜航器协调控制结构及其协调控制方法:无领航多无人协调控制方法、单领航多无人协调控制方法和多领航多无人协调控制方法。　　2、在无领航多无人潜航器系统协调控制中，主要提出了非采样弱通信条件下协调控制方法和同步采样弱通信条件下协调控制方法。在非采样弱通信下无领航多无人潜航器协调控制方法讨论中，首先研究了基于异构有向拓扑分布式一致性控制算法，解决了带宽有限弱通信情况下多无人潜航器协调控制问题。其次，为了解决无领航多无人潜航器系统受到环境干扰、带宽有限和时变通信的弱通信约束，提出应用邻域内无人潜航器的部分状态（位姿状态），基于分布式扩张状态观测器(Distributed Extended State Observer,DESO)的无领航多无人潜航器系统在有向切换拓扑条件下分布式一致性控制算法。在同步采样弱通信下协调控制方法讨论中，提出的控制算法，用于解决存在通信时延、带宽有限和时变通信的弱通信条件下无领航多无人潜航器分布式一致性控制问题。　　3、在单领航多无人潜航器系统协调控制中，解决了两种协调控制问题，第一个问题是通过讨论基于固定拓扑和切换拓扑具有部分信息和不确定干扰的协调控制方法，解决了时变通信和带宽有限的弱通信情况下具有复合干扰的一致性控制问题。为了解决不可测干扰问题和水声通道带宽有限的弱通信情况，设计DESO，对不可测的干扰和无人潜航器的速度进行估计。为了解决单领航多无人潜航器系统协调控制问题，设计基于DESO获得的估计信息一致性控制算法;第二个问题是通过讨论基于固定拓扑和切换拓扑具有时变时延协调控制方法，解决了时变通信和时变时延弱通信情况下一致性控制问题。固定拓扑情况的协调控制研究中，获得单领航多无人潜航器系统稳定的充分必要条件。切换拓扑情况下协调控制研究中，在假设领航无人潜航器是全局可达的和总周期足够大的条件下，获得实现单领航多无人潜航器系统稳定性的充分条件。不仅证明单领航多无人潜航器系统能够渐近实现一致性控制，而且讨论了收敛率的估计。　　4、在多领航多无人潜航器系统协调控制中，主要讨论三个问题，分别为基于异构拓扑具有时延的协调控制问题、基于有向拓扑具有通信时延包容控制问题和基于异构拓扑具有通信时延包容控制问题。在第一个问题中，主要解决基于通信时延和带宽有限通信弱通信情况下的多无人潜航器一致性控制问题。考虑到领航无人潜航器出现故障或者与其他跟随无人潜航器通信失去联系情况，多无人潜航器系统将出现“群龙无首”的状态，设计基于马尔科夫跳变系统协调控制结构，解决上述问题。考虑到带宽有限的弱通信条件，提出基于异构拓扑的协调控制策略。构造两个适当的Lyapunov-Razumikhin函数，应用线性矩阵不等式（Linear Matrix Inequality, LMI）方法，获得具有时延的多无人潜航器的稳定性条件，确保了多领航多无人潜航器系统实现一致性控制。在第二个问题中，为了解决通信时延弱通信情况下协调控制问题，讨论了基于有向拓扑具有通信时延包容控制问题。在第三个问题中，讨论了基于异构拓扑具有通信时延的包容控制，解决了基于带宽有限和通信时延弱通信情况下协调控制问题。
作者：	吴以
专业：	控制科学与工程
导师：	严浙平
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2021