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基于水下光定位的欠驱动AUV轨迹跟踪和编队控制
| 论文题名： | 基于水下光定位的欠驱动AUV轨迹跟踪和编队控制 |
| 关键词： | 自主水下航行器;水下光定位;欠驱动结构;轨迹跟踪;编队控制 |
| 摘要： | 随着国家海洋战略推进实施，自主水下航行器（AutonomousUnderwaterVehicle,AUV）由于其在水下机动性强、智能化程度高等优点成为海洋技术的研究热点，尤其是将多个AUV经过部署形成编队能够大大提高任务执行效率。并且，连接水下、水面、陆地及空中的海陆空一体传感网络已成为未来的发展趋势。在水面无人船-水下AUV编队的高速实时传感网络中，AUV编队采集水下图像和视频等信息，传输给无人船以完成探测任务。本文旨在研究欠驱动AUV跟踪无人船过程中涉及到的水下光定位、AUV的轨迹跟踪控制以及根据定位位置的AUV编队控制。主要工作如下： （1）针对AUV和无人船的绝对位置难以同时获取的问题，并且考虑到水下大容量信息传输需求越来越大，本文采用LED实现同时定位和通信。对于水下光定位，本文设计了基于到达时间差（TimeDifferenceofArrival,TDOA）的定位算法来估计无人船的位置；提出了基于AUV编队的动态光接收器阵列的概念，即通过将光接收器分散部署在编队个体上，以增大阵列的空间范围，并且光学方法延迟低的优势为TDOA定位求解提供了保证。在无人船作为领航者，AUV作为跟随者的编队模式下，无人船的估计位置不平滑会造成很大跟踪误差，因此本文设计了定位轨迹平滑函数将无人船的估计轨迹进行平滑处理，最终将编队整体的平均跟踪距离误差下降了30%，航向角误差减小了63%，收敛速度提高了1.6倍。 （2）针对AUV的欠驱动结构及执行器饱和问题，本文提出了基于视线法的参考监督器（LineofSightwithReferenceGovernor,LOS-RG）。此方法通过平衡视线（LineofSight,LOS）导引律和当前的航向角获取最优视线导引律，从而避免了大幅度转向引起的系统振荡；设计了带有输入约束的模型预测控制（ModelPredictiveControl,MPC）实现了欠驱动AUV的轨迹跟踪；仿真了三种典型轨迹并与目前常用的非线性控制方法进行对比，相较于传统的方法，本文设计的算法以3倍的收敛速度及1.5倍的跟踪精度证明了其可行性。 （3）针对光链路易受遮挡导致部分AUV对无人船定位失效的问题，本文提出了基于一致性原理的分布式MPC控制器，结合图论在代价函数中引入邻居节点信息，降低传统领航者-跟随者编队方法中跟随者对领航者信息的过度依赖。同时设计状态约束条件实现了编队个体之间的避碰，提高了整体运动的安全性。 |
| 作者： | 钱中岚 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 徐敬 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 浙江大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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