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多无人艇抗干扰覆盖控制器设计与仿真验证
| 论文题名： | 多无人艇抗干扰覆盖控制器设计与仿真验证 |
| 关键词： | 欠驱动无人艇;覆盖控制;固定时间扩张状态观测器;安全避碰;控制障碍函数;集群控制 |
| 摘要： | 覆盖控制是多无人艇集群控制的重要组成部分，应用于海洋领域中的环境监测、资源探测和污染清理等方面。在海洋作业任务中，设计良好的覆盖控制器能够有效提高作业效率、降低作业成本、提高区域覆盖率。覆盖控制问题不仅要考虑多无人艇之间的协同，也要考虑无人艇与海洋环境之间的联系。因此，多无人艇集群覆盖控制问题具有重要的实际意义和研究价值。本文以欠驱动无人艇为研究对象，研究了欠驱动多无人艇集群抗干扰覆盖控制问题，主要研究工作如下： 第一，针对固定海洋区域下欠驱动多无人艇集群最优覆盖控制问题，提出了基于维诺图的多无人艇抗干扰最优覆盖控制器。在制导层，基于邻居无人艇的位置和环境密度信息进行维诺分配，设计了欠驱动无人艇最优覆盖制导律，引导无人艇运动到最优目标点。在控制层，设计了一种固定时间扩张状态观测器来估计模型不确定性和外部时变风浪流扰动，并基于该扩张状态观测器和一阶滤波器设计了固定时间控制律。稳定性分析表明，欠驱动多无人艇集群的抗干扰最优覆盖控制闭环系统的误差是有界的。仿真结果验证了所提欠驱动多无人艇集群抗干扰最优覆盖控制器的有效性。 第二，针对电池能量约束下的欠驱动多无人艇集群持久覆盖控制问题，提出了基于控制障碍函数的多无人艇抗干扰持久覆盖控制器。在制导层，结合无人艇的运动学模型和电池的充放电模型，先设计了多无人艇最优覆盖制导律，后设计了电池充电约束条件和放电约束条件，通过二次规划求解出满足所有约束的多无人艇期望合速度制导律；再利用期望合速度求解出无人艇的期望航向，设计了多无人艇期望艏摇角速度制导律。在控制层，设计了固定时间扩张状态观测器估计扰动，结合该扩张状态观测器和非线性跟踪微分器设计了固定时间控制律跟踪给定速度。仿真结果验证了所提欠驱动多无人艇集群抗干扰持久覆盖控制方法的有效性。 第三，针对动静态障碍物约束下的欠驱动多无人艇集群最优覆盖与安全避碰控制问题，提出了基于控制障碍函数的多无人艇抗干扰避碰覆盖控制器。在制导层，设计了基于指数稳定控制李雅普诺夫函数的位置约束和基于控制障碍函数的安全约束，通过二次规划求解出满足所有约束的多无人艇期望合速度制导律；其次，利用期望合速度求解出多无人艇的期望航向，设计了多无人艇期望艏摇角速度制导律。在控制层，采用固定时间扩张状态观测器估计扰动，采用固定时间控制律跟踪期望速度。仿真结果验证了所提欠驱动多无人艇集群抗干扰最优覆盖与安全避碰控制方法的有效性。 |
| 作者： | 刘洋 |
| 专业： | 电力电子与电力传动 |
| 导师： | 彭周华;刘陆 |
| 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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