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原文传递不确定异构多AUV系统的有限时间协同控制研究

论文题名：	不确定异构多AUV系统的有限时间协同控制研究
关键词：	多自主水下航行器系统;集群航行;协同控制;参数不确定性;间歇通信
摘要：	随着科技的发展以及人类对海洋资源的日益关注，针对自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)系统的研究在近年来取得了长足发展，且已经被广泛应用于数据收集、海洋探测以及目标跟踪等各领域的实际应用中。当面对海洋任务的复杂性和多样性时，单个AUV系统越来越难以满足日益增加的任务需求。而多AUV系统可以进行不同的空间位置分布与任务分配，并通过彼此之间的协调与合作来完成任务，具有效率高、鲁棒性强、任务范围广等优点。因此，多AUV系统的协同控制技术已成为近年来相关科研人员的研究热点。另外，如何保证系统能在有限时间内快速收敛到所需的精度也是多AUV系统在工程实践中所面临的一个挑战。本文针对多AUV系统在参数不确定、间歇通信以及部分状态信息不可得等条件下的有限时间会合、跟踪、编队以及绕航等协同控制问题，展开了一系列研究工作，主要包括：　　1. 开展了不确定异构多AUV系统在有速度信息和无速度信息时的有限时间位置跟踪控制算法研究。针对只有部分跟随者能直接获得领航者信息的情况，设计了分布式降阶观测器以估计领航者的状态。针对AUV系统模型参数不确定的情况，设计了自适应算法用以估计模型参数。进一步，当考虑AUV系统速度信息不可得时，提出了一种仅依赖于位置信息的观测器以在有限时间内估计AUV的所有状态信息。而后，针对AUV系统速度信息可得和不可得两种情形分别设计了基于上述估计值的分布式有限时间位置跟踪控制协议。基于Lyapunov理论、滑模控制方法以及有限时间稳定性理论证明了系统的稳定性，并进行了数值仿真实验。　　2. 开展了异构无速度信息多AUV系统在间歇通信下的有限时间交会控制算法以及有限时间轨迹跟踪控制算法研究。针对交会控制问题，首先为每个跟随者AUV设计了分布式观测器以估计自身的状态信息；而后，基于观测器设计了间歇通信下的有限时间交会控制协议。针对轨迹跟踪控制问题，首先为每个跟随者AUV设计了两个间歇通信下的分布式观测器以估计领导者和其自身的状态信息；而后，设计了基于观测器的有限时间轨迹跟踪控制协议。根据Lyapunov理论、间歇通信机制以及有限时间稳定性理论证明了系统的稳定性，并进行了数值仿真实验。　　3. 开展了异构多AUV系统在间歇通信下的有限时间编队和绕航切换控制算法研究。针对只有部分AUV能间歇性的获得目标信息的情形，设计了基于间歇通信的分布式有限时间观测器以估计目标的状态信息；而后，设计了基于观测器的有限时间编队-绕航切换控制协议。根据Lyapunov理论、间歇通信机制以及有限时间稳定性理论证明了算法的有效性，并进行了数值仿真实验。　　4. 开展了异构多AUV系统在部分个体间歇通信下的有限时间多圆编队和绕航切换控制算法研究。针对多AUV系统的多圆轨道问题，引入集群思想将所有AUV进行群划分。而后，为每个集群领导者设计了间歇通信下的分布式观测器以估计目标的信息，并为集群跟随者设计观测器以估计领导者的状态；最后，设计了基于观测器的有限时间多圆编队-绕航切换控制协议。根据Lyapunov理论、间歇通信机制以及有限时间稳定性理论证明了算法的有效性，并进行了数值仿真实验。
作者：	陈波
专业：	控制科学与工程
导师：	Bijoy Kumar Ghosh
授予学位：	博士
授予学位单位：	电子科技大学
学位年度：	2023