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原文传递面向目标警卫的多无人艇协同控制方法研究

论文题名：	面向目标警卫的多无人艇协同控制方法研究
关键词：	多无人艇;目标警卫;操纵性辨识;编队控制;任务分配;队形重构
摘要：	无人艇是一种无人操作的水面舰艇，主要用于执行危险或不适于有人船只执行的任务。海面目标警卫是无人艇面临的重要作业任务之一，但在海面目标警卫任务中，面对动态复杂的环境、不可预知的潜在危险和多样化的任务需求，单一无人艇搭载设备系统受限于自身有限载荷，难以实现较为复杂的任务目标。相较之下，由多艘无人艇联合起来构成的协同系统，具有更强的鲁棒性、机动性、灵活性，可以提升作业效率和扩大作业范围。然而，多无人艇系统中无人艇数量众多、操纵性存在差异以及海面目标警卫任务的复杂多样性使得多无人艇在协同控制等研究中面临特殊困难。本文重点研究面向海面目标警卫任务的多无人艇系统动力学建模辨识、多无人艇协同编队控制、多无人艇任务分配以及外场试验开展等问题: 　　首先，开展多无人艇动力学建模和辨识方法研究并搭建了多无人艇编队操纵性仿真系统，针对水面无人艇编队数量多且成员来源不一致，在较短时间内需求通过少量水动力学试验实现全部异构无人艇非线性操纵性模型参数辨识的问题，提出一种积分非线性快速辨识方法，该方法区别于结合大量试验数据辨识非线性操纵参数的传统方法，在缺少艏向角加速度项仅结合Z型试验数据即可快速准确解析无人艇的非线性操纵模型，在有限的试验数据下，可为多无人艇编队的控制方法试验平台提供准确有效的仿真试验验证基础，并基于辨识结果搭建了“海豚X”多无人艇编队操纵性仿真系统。　　然后，针对忽视多无人艇机动性能导致的“饱和规划”现象、艇间避碰对编队运动带来的“路径偏离”问题和行为优先级缺乏量化定义带来的编队控制方法普适性差的问题，提出一种多无人艇分布式自适应零空间行为融合方法，使得在各个工况求解出来的速度极限在无人艇机动范围内，外场试验证明可以有效提高多无人艇编队的协同编队鲁棒性能和作业能力。　　其次，复杂海洋环境分布不均匀、编队个体的运动和状态差异均会对多无人艇编队鲁棒性和一致性产生很大扰动，面向海上目标警卫任务提出多无人艇抗扰动行为重定义融合编队控制方法，解决海流、波浪对无人艇编队个体差异化影响的准确建模，保证无人艇编队控制变量输出一致性，提高编队控制鲁棒性。　　之后，开展面向目标警卫任务的多无人艇任务分配研究，考虑无人艇物理特性和复杂海洋环境，通过兴趣导向的禁忌搜索任务分配方法实现了多无人艇任务执行实时性、艇间作业能力差异和个体与整体利益冲突等复杂约束条件的准确建模，并提出融合重定义杜宾法和最优空间解耦搜索的队形重构优化方法、对抗式围捕规划方法解决多约束耦合条件下面向拦截/围捕等海上目标警卫任务的任务分配问题。　　最后，搭建多无人艇试验平台和多无人艇用室内定位系统;开展多无人艇协同编队水池试验和外场试验，通过双艇和三艇协同试验验证了无人艇编队协同控制方法的有效性与规划算法的合理性。
作者：	范佳佳
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	李晔
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2021