分布式多水下机器人编队控制方法研究

发布时间：2020-07-13 22:32

【摘要】：近几十年来,自主式水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)技术取得了长足的发展,在海洋水文数据采集、海底探测、目标搜索等各领域发挥了日益重要的作用。随着作业任务要求的不断提高,单个AUV已经难以满足日益复杂的作业需求。多AUV系统在探测区域可以分布于不同的空间位置,执行作业任务可以相互配合,系统组成和传感器配置可以存在冗余。凭借这些优势,多AUV系统在大范围、高时效的海洋探测活动中,具有单个AUV无法比拟的优势。近二十年来,多AUV系统的理论和应用研究日益引起了相关科研人员的重视。本论文针对多AUV系统中的一个关键和基础性问题——多AUV协同编队,展开了研究工作。论文的研究工作主要包括以下方面:(1)开展了多AUV编队控制算法体系结构的研究工作。根据已经取得的海上试验成果,在分析虚拟领航者-跟随者编队控制算法的基础上,将虚拟领航者和队形位置向量抽象为编队队形组织层,形成本论文的算法框架。本论文采用蜂拥编队控制算法,人工势场和虚拟结构相结合的编队控制算法,进行编队队形的组织。(2)开展了基于目标跟踪的多AUV蜂拥编队控制算法的研究工作。采用多智能体蜂拥算法进行编队队形的组织,设计了欠驱动AUV的目标跟踪算法。多智能体在虚拟领航者周围形成准晶格状的编队队形,AUV跟踪对应的智能体,渐进生成相同的编队队形。增强了 AUV编队控制算法的鲁棒性和扩展性。(3)开展了基于反馈线性化的多AUV蜂拥编队控制算法的研究工作。采用反馈线性化方法将AUV的运动模型化简为类似于质点的运动模型,并进一步分解为平动子系统和艏摇子系统。平动子系统采用蜂拥算法进行控制,艏摇子系统采用振子相位一致性算法进行控制。(4)开展了虚拟领航者状态计算去中心化的研究工作。将虚拟领航者的计算由信息中心迁移至系统中的每台AUV。设计了分布式信息一致性算法,使不同AUV计算的虚拟领航者状态趋于一致,真正实现了编队控制算法的分布式。(5)设计了一种人工势场和虚拟结构相结合的多AUV编队控制算法。该算法中人工势场用于避碰和避障,虚拟结构用于编队队形的组织,两者的结合形成了编队算法的队形组织层。AUV跟踪对应的中间介质点,可以无碰撞地渐进生成指定的编队队形,进行编队变换。(6)开展了多AUV编队避障的研究工作。将海上试验可能遇到的障碍物抽象为三种类型,并分别设计了对应的编队避障算法。设计了四种编队避障策略,可以针对不同的编队避障情景择优选取。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U664.82;TP242
【图文】：

作业区,海洋观测站,观测阵列

Ｆｉｇ邋１．４邋Ｒｅｇｉｏｎ邋ｏｆ邋ＡＳＡＰ邋ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ逦Ｆｉｇ邋１．５邋Ｍｏｔｉｏｎ邋ｐａｔｔｅｒｎ邋ｏｆ邋ｇｌｉｄｅｒｓ逡逑（３）海洋观测站计划（ＯＯＩ）项目逡逑２０１０年，美国国家科学基金会（Ｎａｔｉｏｎａｌ邋Ｓｃｉｅｎｃｅ邋Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ，ＮＳＦ）组织和支持了逡逑海洋观测站计划（Ｏｃｅａｎ邋Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ邋Ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅ，ＯＯＩ）邋［１６？２４］。ＯＯＩ为一项大型的海洋观逡逑测计划，目的在于构建一套覆盖美国近海和公海所有关键位置的传感器网络，对从海洋逡逑底部到海洋表面的物理、化学、生物和地质等一系列海洋学特征进行观测。截止到２０１８逡逑年，００１己经提供了超过２５０ＴＢ的观测数据。如图１－６所示，为0０１系统的观测阵列逡逑

示意图,葡萄牙,协同作业,指挥控制系统

围内采集数据，并定期浮上水面校正ＧＰＡ，通过卫星上传数据和下载指令。逡逑■邋Ｉ逡逑图１．６邋００１系统的分布逦图１．７邋Ｅｎｄｕｒａｎｃｅ邋Ａｒｒａｙ的系统示意图逡逑Ｆｉｇ邋１．６邋Ｌｏｃａｔｉｏｎｓ邋ｏｆ邋ＯＯＩ邋ｓｙｓｔｅｍ逦Ｆｉｇｌ邋．７邋Ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋Ｅｎｄｕｒａｎｃｅ邋Ａｒｒａｙ逡逑（４）邋ＧＲＥＸ及其后续项目逡逑２００６年，德国、法国、葡萄牙、西班牙、意大利的多家研宄机构，在欧盟第６框架逡逑计划（６ｔｈ邋ｆｒａｍｅｗｏｒｋ邋ｐｒｏｇｒａｍｍｅ邋ｏｆ邋Ｅｕｒｏｐｅａｎ邋Ｕｎｉｏｎ，邋ＦＰ６）的资助下，开展了名为“未知逡逑环境下异构无人系统的协调与控制［２５＇２／］邋（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｃｏｎｔｒｏｌ邋ｏｆ邋ｃｏｏｐｅｒａｔｉｎｇ逡逑ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ邋ｕｎｍａｎｎｅｄ邋ｓｙｓｔｅｍｓ邋ｉｎ邋ｕｎｃｅｒｔａｉｎ邋ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ，简称为邋ＧＲＥＸ）’’的研宄项目。逡逑该项目的主要研宄工作包括：水中无人集成指挥控制系统的设计和开发；包含以太网、逡逑无线电、水声等多种通讯方式的信息交互；多水中无人系统在位置环境下的协调控制。逡逑ＧＲＥＸ于２００９年１１月在葡萄牙Ｓｅｓｉｍｂｒａ海域开展了多水面、水下无人系统的协同作业逡逑海上试验，图１．８为此次试验的场景［２７］。逡逑２００９年，ＦＰ７资助了名为“多ＡＵＶ协同认知与控制技术［２８￣３２］（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄ邋Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ逡逑Ｃｏｎｔｒｏｌ邋ｆｏｒ邋Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ邋Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ邋Ｖｅｈｉｃｌｅｓ

海上试验

第１章绪论逡逑作包括：多ＡＵＶ系统仿真环境开发、２Ｄ＼３Ｄ地图创建、水下导航技术、协同行为设计。逡逑图１．９为２０１１年该项目进行海上协同探测试验的场景［２９］。逡逑：：一、逡逑＿邋－逡逑赛逦一．丨…．－－－逦一．逦ｆ逦＾逦，—逡逑图１．８邋２００９年ＧＲＥＸ海上试验逦图１．９邋２０１１年Ｃ０３－ＡＵＶ海上试验逡逑Ｆｉｇ邋１．８邋ＧＲＥＸ邋ｓｅａ邋ｔｒｉａｌ邋ｉｎ邋２００９逦Ｆｉｇ邋１．９邋Ｃ０３－ＡＵＶ邋ｓｅａ邋ｔｒｉａｌ邋ｉｎ邋２０１１逡逑２０１２年，ＦＰ７又资助了名为“海洋考古机器人系统［ｍ］邋（Ａｒｃｈａｅｏｌｏｇｉｃａｌ邋ｒｏｂｏｔ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑ｆｏｒ邋ｔｈｅ邋ｗｏｒｌｄ’ｓ邋ｓｅａｓ，简称ＡＲＲＯＷＳ）邋”和“海洋机器人系统的自组织与基于逻辑的节点链逡逑接［３６－４３］邋（］ｙ］ａｒｉｎｅ邋ｒｏｂｏｔｉｃ邋ｓｙｓｔｅｍ邋ｏｆ邋ｓｅｌｆ－ｏｒｇａｎｉｚｉｎｇ，邋ｌｏｇｉｃａｌｌｙ邋ｌｉｎｋｅｄ邋ｐｈｙｓｉｃａｌ邋ｎｏｄｅｓ，简称逡逑ＭＯＲＰＨ）邋”的项目。ＡＲＲＯＷＳ项目主要关注于多ＡＵＶ系统的任务分配，以提高海底扫逡逑描效率。ＭＯＲＰＨ项目的主要研宄工作包括：多ＡＵＶ系统的编队控制、协同定位和协逡逑同导航。２０１２年￣２０１５年，ＭＯＲＰＨ项目进行了多次海上试验，以检验研究成果。逡逑■ａｇａａｅａＢｇ＾ｇ—ｉ逡逑图ｌ．ｌＯＷｉＭＵＳＴ协同作业示意图逡逑Ｆｉｇ邋Ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ＷｉＭＵＳＴ邋ｃｏｏｐｅｒａｔｉｏｎ逡逑２０１４年，欧盟的多ＡＵＶ系统研究开始走向应用，意大利、葡萄牙、英国、德国、逡逑法国、荷兰的多家研究机构

【参考文献】