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原文传递考虑误差约束的多AUV协同编队控制方法研究

论文题名：	考虑误差约束的多AUV协同编队控制方法研究
关键词：	自主水下航行器;协同编队控制;误差约束;神经网络
摘要：	随着社会的发展和科技的进步，海洋资源已经引起了广泛的关注。在海洋探索过程中，自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)由于灵活性高、自主性强、经济成本低等被广泛应用于资源勘查、海图绘制、鱼雷探测、水下检测等方面。由于海洋中环境恶劣，未知的突发状况较多，单个AUV容易遭受危险。当海洋探测任务较为复杂时，单个AUV难以胜任，因此，多个AUV协同作业的方式为解决上述问题提供了新思路。在多AUV系统中，各个AUV以一定的方式进行信息通讯，协同完成特定的任务，相比于单个AUV，多AUV系统可以完成更复杂的任务，并且具有较高的安全性和可靠性。在执行作业任务时，多AUV系统需要具有较高的稳定性能，AUV间应避免碰撞，并且要保证通讯，因此AUV间应保持适当的距离，AUV的轨迹误差需要控制在一定范围内。本论文研究了多AUV系统的协同编队控制方法，基于多AUV间的有向通讯拓扑结构，使用神经网络技术、误差约束技术和Lyapunov稳定性理论，设计AUV的控制算法，实现多AUV误差约束协同编队控制。本论文的研究内容为: 　　(1)考虑外界干扰的多AUV误差约束协同编队控制方法研究。在多AUV的有向通讯拓扑条件下，对非线性模型不确定性的多AUV系统进行研究，提出具有时变约束的协同编队控制算法。首先提出辅助变量，引入低阶滤波器，并考虑到推进器输入饱和问题，构造anti-windup饱和补偿辅助系统，然后提出神经网络自适应律逼近并补偿AUV系统模型的非线性不确定性和外界干扰，为保证多AUV系统的控制性能，引入log形式的Lyapunov函数，构造时变指数边界约束，保证系统误差收敛在零点的邻域内。　　(2)基于速度观测器的多AUV有限时间误差约束协同编队控制方法研究。考虑到当AUV速度变化过快时，所测得的AUV速度信息不准确的问题，引入状态观测器，估计AUV的速度信息。设计径向基神经网络函数，对AUV的模型不确定性和受到的洋流干扰进行逼近，并设计神经网络自适应律。多AUV系统在运动过程中，推进器能够提供的推力是有限的，因此考虑输入饱和问题，设计饱和函数，限制控制力和控制力矩的最大值。为保证AUV系统能够快速实现编队，引入有限时间技术，设计tan形式的Lyapunov函数，对AUV的轨迹和姿态误差进行时变约束，实现多AUV系统的有限时间误差约束协同编队控制。　　(3)考虑外界干扰的多AUV固定时间误差约束协同编队控制方法研究。在多AUV系统的有限时间控制算法中，系统误差的收敛时间和AUV的初始位置有关，当AUV位置误差较大时，误差收敛时间也会较长。并且，在实际工程中，很难获得AUV初始条件信息，无法得知AUV系统达到稳定的时间，因此阻碍了有限时间在工程中的应用。本论文研究了多AUV系统的固定时间控制。考虑AUV的模型不确定性和外界干扰，引入固定时间技术，设计tan形式的Lyapunov函数，实现多AUV系统的固定时间误差约束协同编队控制。
作者：	杜雨桐
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	孙延超
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2022