自主水面船编队控制研究

发布时间：2020-09-09 20:53

　　 近些年来,海洋资源正日益得到人们的重视,为此各国科学家都加大了对海洋装备的研究,力求在海洋资源勘探与开发领域中占据制高点。在众多的海洋装备中,自主水面船(autonomous surface vehicle,ASV)由于其具有活动范围广、成本低、自主能力强等优点正越来越受到各国科学家的重视。尽管ASV相关技术发展迅速,但单个船体鲁棒性较差,且不适合大范围区域的活动。因此,在实际应用中常常需要多艘ASV相互协调,共同实现特定的目标。与单个船相比,多ASV通过编队实现协同作业具有效率高、容错性强以及适应性强等优点。本文分别以全驱动ASV与欠驱动ASV为研究对象,结合了图论相关知识、非线性系统稳定性理论、动态面控制技术、滑模控制技术以及指令滤波技术等为基础对ASV编队控制展开了深入研究,其主要工作包含以下几个方面:(1)为解决全驱动ASV在外界干扰下的编队控制问题,分别提出了无领导者编队控制策略、领导者-跟随者编队控制策略以及多领导者编队控制策略。首先在前两种控制策略的设计中设计一个非线性扰动观测器来在线估计外界扰动;然后以观测器的输出为补偿项并结合动态面控制技术以及图论相关知识设计控制策略来实现全驱动ASV的鲁棒编队控制。此外,针对多领导者鲁棒控制问题,首先结合有限时间稳定性理论提出了一个具有有限时间收敛特性的扰动观测器;然后与上两种控制设计类似,结合包容控制理论知识以及动态面控制技术设计了一种鲁棒包容控制策略,解决了多领导者的编队控制问题;最后,结合Lyapunov稳定性理论证明闭环系统稳定性。(2)为解决欠驱动ASV在外界干扰以及水动力参数不确定情况下鲁棒编队控制问题,提出了一个基于上下界滑模的鲁棒编队控制策略。该控制策略借鉴“点对点”导航理论将编队控制问题转化为位置跟踪误差与艏向角跟踪误差的协同一致问题。首先,在运动学回路中利用图论知识设计了具有饱和特性的虚拟控制律;然后在动力学回路设计中通过设计实际控制输入使得船的侧向速度与艏向角速度能够跟踪器相应的虚拟控制律;最后借鉴级联系统稳定性理论证明了闭环系统稳定性。此外,本文在上一算法的基础上有提出了一个基于通信延时的鲁棒编队控制策略。仿真结果证明算法在通信延时与外界干扰的情况下仍然有效。(3)为解决欠驱动ASV在外界干扰以及水动力参数不确定的情况下能够在有限时间内实现编队控制的问题,提出了一个结合图论以及上下界滑模的有限时间鲁棒编队控制策略。首先利用反步法将控制问题分解为运动学回路设计以及动力学回路设计两个部分。然后,在运动学回路中利用有限时间理论和图论相关知识设计了参考纵向速度和侧向速度,使得各船位置在有限时间内协同一致;在运动学回路设计中利用有限时间滑模控制法实现了实际速度对参考速度的跟踪;最后仿真证明了控制器对外界干扰具有良好的鲁棒性能。(4)为解决欠驱动ASV在外界干扰以及水动力参数不确定的情况下的多领导者鲁棒控制问题,提出了一种结合指令滤波法、包容控制相关知识以及上下界滑模法的鲁棒包容控制策略。首先,将运动学模型化为严格反馈形式以便利用指令滤波反步法来设计控制策略;然后,结合图论相关知识并以航向角与航向速度为控制输入设计了相关虚拟控制律;进一步,将航向角与航向速度的虚拟控制律通过一阶指令滤波器来获得相应虚拟控制律以及其导数的估计值;而后,以艏向角速度为控制输入来镇定航向角以及虚拟控制律的偏差;再引入指令滤波器来在线估计虚拟控制律的同时需要通过引入补偿信号来补偿非线性项。最后,通过引入上下界滑模法来实现对外界干扰以及模型不确定的抑制。仿真结果证明了所提控制策略的有效性。此外,本文针对鲁棒包容控制问题结合动态面控制以及上下界滑模又提出了一个新的控制策略,该方法克服了上一种方法必须假设速度非零的问题,实现了任意状态下的鲁棒包容控制。(5)针对基于全状态操控的欠驱动非对称自主水面船编队控制问题,设计了一种时变编队控制策略。首先,通过引入了一个全局微分同胚变化与输入坐标变换将欠驱动自主水面船的编队控制问题转化为一个新的非线性系统的镇定问题。然后,将该系统分为两个子系统并应用非线性级联系统稳定性理论将新系统的镇定问题简化为其中一个四阶子系统的镇定问题。最后,针对四阶子系统利用时变控制系统理论分两步设计了光滑时变的反馈控制律,实现了该系统的全局K指数镇定。仿真证明了所提控制策略的有效性。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U664.82
【部分图文】：

图 1.1 破冰船及其跟随船Fig.1.1AIcebreaker and Followers图1.1显示船舶编队控制在破冰船领域中的应用。维度高的海面在冬季会结冰，为了便于商船通过，人们通常以破冰船作为引导船来敲碎海面冰层来为商船开路。商船与破冰船距离太近会容易发生碰撞，太远被敲碎的海面又会重新结冰。这个问题可以通过设计编队控制策略使得破冰船与商船保持期望的位置或者距离来解决。勘探船在众多无人自主船的协助下可以更经济、更快速的完成海底地图的绘制工作，如图1.2。航行补给对于远洋军事打击是必要的，补给船可以为战舰提供燃料、能源以及人员。在实际航行过程中，补给船需要与战舰保持一定位置，如图1.3所示。图1.4展示的是航母作战编队以一定期望队形完成远洋任务。图1.2 海底地图绘制Fig.1.2 Seabed Geotechnical Mapping多船编队控制问题涉及众多领域知识，包括非线性控制理论、船舶运动控制理论以及多智能体相关知识

冰船距离太近会容易发生碰撞，太远被敲碎的海面又会重新结冰。这个问题可以通过设计编队控制策略使得破冰船与商船保持期望的位置或者距离来解决。勘探船在众多无人自主船的协助下可以更经济、更快速的完成海底地图的绘制工作，如图1.2。航行补给对于远洋军事打击是必要的，补给船可以为战舰提供燃料、能源以及人员。在实际航行过程中，补给船需要与战舰保持一定位置，如图1.3所示。图1.4展示的是航母作战编队以一定期望队形完成远洋任务。图1.2 海底地图绘制Fig.1.2 Seabed Geotechnical Mapping多船编队控制问题涉及众多领域知识，包括非线性控制理论、船舶运动控制理论以及多智能体相关知识，是一门新兴研究方向。多船编队控制不仅考虑单船运动控制涉及到的难点（如强耦合性、非线性且易受环境干扰，欠驱动船舶的非完整性等），还要考虑多智能体系统控制所遇到的研究问题。因此，如何针对自主水面船运动特性实现多船

编队控制成为船舶控制领域的最新热点和难点。可以看出，关于多船编队控制的问题研究不仅具有很高的学术研究价值，还有很广阔的应用空间。图1.3 海上补给 图1.4 作战编队Fig.1.3 Underway Replenishment Fig.1.4 Assault Ships in Formation1.2 ASV 国内外发展概述在ASV研究领域，美国麻省理工学院海洋实验室格兰特于1993年首先开发了世界上第一艘欠驱动ASV，并将之称为ARTEMIS，如图1.5。该船实际上是以一艘渔船为参照并按照1:17的比例建造出来的，其建造目的是在尽量节省经济成本的前提下加深对欠驱动ASV的操纵性和控制问题的认识，并为下一步深入研究欠驱动ASV的运动控制规律提供了宝贵参考建议[1]。图1.5 ARTEMIS自治水面船Fig.1.5 ARTEMIS autonomous surface vehicle波尔多大学以及波尔多港口管理局于1994年联合研制了一款欠驱动ASV，该ASV能够实现对半径10海里内的海洋环境进行监控并进行数据采集。在对ARTEMIS开发之后，美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）又研发出一款名叫ACES的欠驱动ASV。然而

本文编号：2815457