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原文传递欠驱动无人艇的环绕运动控制与优化

论文题名：	欠驱动无人艇的环绕运动控制与优化
关键词：	欠驱动无人艇;目标环绕控制;模糊逻辑系统;约束控制;安全控制
摘要：	海洋是潜力巨大的资源宝库，是人类生存与可持续发展的战略空间，也是国际竞争与合作的重要舞台。无人艇凭借其小型化、智能化、低成本等优点，成为人类探索海洋和开发海洋的重要工具，在军事和民用领域中发挥了重要作用。在众多无人艇航行关键技术领域中，无人艇的制导、控制、协同与优化问题是备受关注的热点与难点课题。本文以欠驱动无人艇作为研究对象，研究了复杂海洋环境下欠驱动无人艇的目标环绕控制与优化问题。论文的主要工作内容如下：　　首先，本文研究了目标速度未知下的单无人艇单目标环绕问题。针对含未知非线性、时变环境扰动、未知侧滑运动的欠驱动无人艇系统，提出了一种基于视距制导原理的无人艇事件触发目标环绕控制方法。在运动学层设计中，基于跟随无人艇坐标系设计了扩张状态观测器，实现了对未知目标速度和未知侧滑运动的同时估计，基于视距制导原理提出了目标环绕角速度制导律，通过引入制导机制提高了目标环绕运动过程的柔顺性。在动力学层设计中，针对环境扰动和模型未知非线性设计了模糊预估器，利用模糊逻辑系统对无人艇动力学不确定性进行逼近，基于非周期控制策略提出了事件触发控制律，减少控制过程中的执行机构动作次数，降低系统通信资源消耗。通过级联系统稳定性理论证明了闭环控制系统的输入-状态稳定性。分析证明了所提事件触发机制不存在芝诺现象。仿真和实验结果验证了所提基于视距制导原理的欠驱动无人艇目标环绕控制方法的有效性。　　其次，本文研究了模型参数完全未知的多无人艇协同单目标环绕问题。针对含未知非线性、未知控制输入增益、时变环境扰动、未知侧滑的欠驱动多无人艇系统，提出了一种基于数据驱动和解耦设计的分布式协同目标环绕控制方法。在运动学层设计中，提出了分布式目标估计器，利用局部感知的目标信息实现了对未知目标位置的估计，采用解耦的设计框架，将协同目标环绕运动分解为环绕运动任务和协同编队任务，分别设计了距离保持制导律和相位分布制导律。在动力学层设计中，将数据驱动技术融入无人艇动力学建模与控制，提出了一种数据驱动模糊预估器，实现了对未知输入增益和动力学不确定性的同时在线学习，设计了无模型模糊控制律，所提控制方法不依赖任何无人艇模型参数。通过级联系统稳定性理论证明了闭环控制系统的输入-状态稳定性。仿真验证了所提欠驱动无人艇协同目标环绕控制方法的有效性。　　然后，本文研究了状态和输入约束下的多无人艇协同多目标环绕问题。针对模型参数完全未知、时变环境扰动、模型物理约束下的欠驱动多无人艇系统，提出了一种针对时变环绕距离的分布式协同多目标环绕控制与优化方法。在运动学层设计中，提出了一种分布式目标中心估计器，在不依赖全局目标信息的前提下对多艘目标无人艇覆盖区域几何中心进行估计，基于所估计的目标中心，提出了针对时变环绕距离的协同多目标环绕制导律。在动力学层设计中，基于数据驱动模糊预估器设计了无模型标称控制律，为了协调环绕运动中的相互耦合的纵荡速度约束和艏摇角速度约束，基于超椭圆状态可行集和输入-状态安全控制障碍函数构建了无人艇状态可行约束条件，并结合输入约束条件构造二次规划问题，基于神经动力学优化技术提出了无人艇最优控制律，采用投影神经网络对控制信号进行在线优化，所提方法在不违背无人艇速度、推力、力矩、功率等约束的前提下实现了协同多目标环绕控制。通过级联系统稳定性分析证明了闭环控制系统的输入-状态稳定性。对比仿真验证了所提协同多目标环绕优化控制方法的有效性。　　最后，本文研究了避碰避障约束下的无人艇协同多目标环绕问题。针对模型参数完全未知、时变环境扰动、动静态碍航物约束下的欠驱动多无人艇系统，提出了一种具有避碰避障能力的安全协同多目标环绕控制与优化方法。在标称控制层设计中，针对局部感知的多目标无人艇，设计分布式目标中心估计器，获得了目标中心的估计值，针对模型参数完全未知的无人艇，提出了一种基于历史数据积分的有限时间模糊预估器，不仅可以实现对未知动力学的有限时间学习，而且无需对历史数据进行存储；基于所估计的目标中心信息和所学习的无人艇动力学，采用制导控制一体化设计，提出了无模型协同多目标环绕标称控制律，在不需要任何模型参数的前提下实现对目标中心的协同环绕。在优化控制层设计中，提出了一种输入-状态安全高阶控制障碍函数，能够处理任意相对阶受干扰系统的安全问题，面向协同多目标环绕任务场景，针对邻居无人艇、目标无人艇、环境障碍物，分别构造了基于输入-状态安全高阶控制障碍函数的无人艇避碰避障安全条件，根据无人艇输入约束条件和避碰避障安全条件构造了二次规划问题，基于神经动力学优化技术提出了无人艇最优安全控制律，采用投影神经网络对控制信号进行在线优化，避免了受控多无人艇在协同环绕目标过程中发生碰撞。通过级联系统稳定性理论证明了闭环控制系统的输入-状态稳定性，采用安全性理论证明了多无人艇系统在控制过程中的输入-状态安全性。对比仿真验证了所提安全协同多目标环绕优化控制方法的有效性。
作者：	姜岳
专业：	船舶电气工程
导师：	彭周华
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2022