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原文传递无人艇集群协同合围理论与应用研究

论文题名：	无人艇集群协同合围理论与应用研究
关键词：	无人艇集群;动态反馈;多目标中心估计器;合围控制器;多边形编队
摘要：	近年来，海洋冲突日益加剧，美日等军舰在我国领海活动频繁，严重威胁我国海洋权益与岛礁安全。在战略岛礁防护任务中，协同合围是一种常用战术，能有效驱逐危险目标。利用无人艇集群对目标进行协同合围，具有成本低，精度高和灵活性大的优点，能有效提升岛礁防卫的效率与范围。然而，在实际应用中，目标通常具有变速、多目标等复杂特性，容易导致合围失败的问题。此外，由于传感器成本与使用环境的限制，无人艇可能只能获取方位约束信息，同样会给协同合围带来挑战。针对上述复杂目标特性以及传感约束等难题，本文深入研究了约束条件下的分布式协同合围算法设计，开展了无人艇集群协同合围实验，具体完成了如下研究工作：　　第一，提出了一种分布式协同相角排斥合围控制算法。针对恒速目标的基础合围问题，根据个体之间、个体与目标之间的距离，设计了基于最近相角排斥的协同合围控制器，实现了协同直线合围、个体间避碰以及正多边形编队等任务，通过比较原理和Barbalat引理，证明了闭环系统的收敛性。最终，开展了数值仿真实验验证该算法的有效性。　　第二，提出了一种保障输入到状态稳定的分布式协同合围控制算法。针对均匀旋转编队的复杂合围问题，考虑了间断通信拓扑对合围稳定性的影响，搭建了估计-控制分层框架，解耦了目标估计和协同合围任务，设计了基于输入状态稳定原理的协同合围控制器，实现了时通时断拓扑下恒速目标旋转编队合围的任务。通过李雅普诺夫稳定和输入状态稳定理论，证明闭环系统的收敛性。最终，开展了数值仿真实验验证该算法的有效性。　　第三，提出了一种分布式协同输出调节合围控制算法。针对时变速度目标的复杂合围问题，通过将时变速度的未知目标看做外系统，引入输出调节原理，设计了基于内模原理的动态反馈合围控制器，实现了时变目标协同合围，智能体间避碰以及固定构型调控等任务。通过拉萨尔不变原理和李雅普诺夫稳定理论，证明了闭环系统的收敛性。最终，开展了数值仿真实验验证该算法的有效性。　　第四，提出了一种多目标分布式协同参数自适应合围控制算法。针对多时变速度目标的复杂合围问题，设计了多目标中心估计器和参数自适应的合围控制器，克服了动力学系统中未知非线性项的影响，实现了多时变目标协同合围与均匀相角分布。进一步的，通过添加势能函数，实现了个体间的避碰。通过理论分析，证明了闭环系统的渐进稳定性。最终，利用室内无人艇集群平台开展室内合围实验，验证了该算法的有效性。　　第五，提出了一种持续激励输入的分布式协同合围控制算法。针对方位传感约束下的合围问题，设计了持续激励输入的分布式目标估计器和扰动稳定原理的分布式协同合围控制器，进一步的，设计的控制器驱动多艘无人艇在时变拓扑下始终绕目标旋转，通过理论分析保证了闭环系统的渐进稳定性。最终，基于室内无人艇集群平台和松山湖跨域无人系统平台分开开展了室内和湖测合围实验，验证了该算法的有效性。　　最后，对无人艇集群协同合围控制算法与实验结果进行总结和归纳，并对未来无人艇协同合围的方向进行展望。
作者：	胡斌斌
专业：	控制科学与工程
导师：	张海涛
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2022