无人船协同导引与控制研究
发布时间：2020-12-12 06:19
在军事方面,科技的迅猛发展使海洋一体化防御体系日臻完善。这对主动攻击武器的突防能力构成了严重的威胁。因此,协同攻击作为一种能提高击中概率的重要手段,受到了广泛的关注。在民用方面,由于单航行器作业时,存在探测范围小、目标估计精度低和效率低等问题,使其难以完成复杂海洋环境下的多目标探测与围捕等任务。相对于单航行器系统,多航行器协作系统能更高效地完成这些任务,也能完成单航行器无法完成的任务。鉴于此,本文开展了基于欠驱动无人水面船（USV）的协同估计、协同导引和欠驱动控制的研究。主要研究工作如下:1)建立了欠驱动无人船的数学模型,介绍了基于费舍尔信息矩阵（FIM）的目标状态估计性能评价指标,多智能体信息一致性相关理论,以及考虑暂态性能约束的相关概念,为后续相关研究奠定了理论基础。2)研究了无人船协同估计问题。针对海洋环境下传感器观测方程非线性问题,设计了基于估计值一致性的分布式卡尔曼滤波（CE-DEKF）算法。在状态有界的假设下,利用李雅普诺夫（Lyapunov）稳定性理论和随机稳定稳定性理论,证明了该算法的稳定性,并通过仿真验证了该算法的有效性。3)研究了无人船协同导引问题。针对仅有方位信息...
【文章来源】：西北工业大学陕西省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２欧盟ＧＲＥＸ项目??
西北工业大学硕士学位论文??３、先进实时地球监测网络（ＡＲＥＮＡ）项目??２００３年，日本启动ＡＲＥＮＡ项目，旨在利用海底多ＡＵＶ探测网络探明海洋环境变??化，进行海底火山和地震监测研究，如图１－３所示。该项目的多ＡＵＶ探测网络可长时间??在海底作业，当监测任务完成后，可在海底船坞装置内对测试数据的进行读取和充电。另??夕卜，这种可长时间海底停留式的多ＡＵＶ网络，可以在海洋作业船的支援下，广泛用于观??测点选址、网络路径的海底前期勘察与绘制，同时，也可用于对海缆和水下建筑进行维护??等方面。??图１－３先进实时地球监测网络示意图??国内在海洋多智能体协作系统研究方面起步较晚，大多数处于基础理论研究和单项??研究阶段，尚未进入实用阶段。从事该方面研究的机构主要有中科院沈阳自动化研究所、??西北工业大学、华中科技大学、哈尔滨工程大学，以及北京航空航天大学等。中科院沈阳??自动化研究所提出了利用多智能体系统对海底热液烟囱定位的方法，并进行了相关的实验??研究西北工业大学在多ＡＵＶ系统编队控制方面取得了较多成果Ｍ。华中科技大学研??究了水下机器人间相互通信最小的编队控制策略ＩＭＳ哈尔滨工程大学边信黔团队提出一套??多水下机器人编队规则，以及使水下机器人间通信最小化的监控逻辑，解决了多水下机器??人在三维空间内路径跟踪编队控制的问题［０，？北京航空航天大学进行了多仿生机器鱼编队??控制的研究。??１．２．２协同最优估计研究现状??近年来，多智能体系统，如多无人机、多地面机器人以及多航天器等系统，在环境??监测与目标跟踪方面，得到了广泛的应用由于智能体传感器量测噪声会“掩盖”貝??标的真实状态信息。因此，有必要对目标的状态信息
?第二章预备知识???第二章预备知识??２．１无人水面船的数学模型??为了描述无人船运动，需要将其放入已定义的坐标系中进行分析。本文主要采用两??种直角芷交坐标系，如图２－１所示，即地面坐标系ＯＸＹ和ＵＳＶ体坐标系??ｊ?ｉ??Ｙ??一?Ｈ?１?ｔ??〇＼?Ｘ??图２－１坐标系示Ｓ图??本文采用的欠驱动无人船３自由度数学模型来自Ｆｏｓｓｅｎ７８１，该模型最大特点是考虑??了惯性矩阵和流体阻尼矩阵的非对角性。具体地，其运动学模型和动力学模型可表示为：??？？?＝??（２．１）??ＭＯ?＝?—Ｃ｛ｙ）ｖ?—?Ｄ｛ｕ）ｖ?＋??其中，ｑ?＝?［ａ；，队＿Ｔ?Ｇ?Ｍ３ｘ?１中的；ｒ和ｙ是地面坐标系下的位置，＃为偏航角，Ｊ（？〗）Ｇ?Ｒ３錄??是体坐标系到地面坐标系的转换矩阵，■是体坐标系下的速度向量，ｕ、代??表前向、侧向速度，ｒ是无人船转速；Ｍ?＝?ＡｆＴｅＫ３ｘ３是非对角惯性矩阵，??是向心哥氏力矩阵，乃（／／）?ｅ?ｆｆｉ３ｘ３为流体阻尼矩阵，ｄ?＝?［４，?ｅ?Ｋ３ｘｌ为未知外界??干扰，７?＝?［７；［１；０）？＾￡舻＞＜１是控制输入，考虑控制输入存在饱和的问题，因此，定义其??饱和函数阶）＝［Ｗｔ＾Ｏ為（ｒｒ）］?Ｇ?Ｋ３ｘ１，??Ｉ＾ｊｉｎａｘ；?Ｖ?丁ｉ?＞?Ｔ：ｉ，ｍａｘ??ｎ，．?ｉｆ?ｎ＾ｍ?＜ｎ＜?（２．２）??％，ｍｉｎ，?ｉｆ?ｎ?＜?Ｔ＂ｉｍｍ??其中，ｉ?＝?１，?３。此外，定义死区函数Ｘ＇?＝［知！?〇，．心］二ｒ?—?５（ｒ）?Ｇ?Ｒ＿３ｘｌ?ａ??具体地，矩阵．７＿，ＣＭ，?和Ｍ可定义为??ｃｏｓ?ｉｂ?—?ｓｉｎ?＾?０?０?０?—ｎ＾ｖ?—?ｒｒ＾ｒ?
本文编号：2912017
【文章来源】：西北工业大学陕西省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２欧盟ＧＲＥＸ项目??
西北工业大学硕士学位论文??３、先进实时地球监测网络（ＡＲＥＮＡ）项目??２００３年，日本启动ＡＲＥＮＡ项目，旨在利用海底多ＡＵＶ探测网络探明海洋环境变??化，进行海底火山和地震监测研究，如图１－３所示。该项目的多ＡＵＶ探测网络可长时间??在海底作业，当监测任务完成后，可在海底船坞装置内对测试数据的进行读取和充电。另??夕卜，这种可长时间海底停留式的多ＡＵＶ网络，可以在海洋作业船的支援下，广泛用于观??测点选址、网络路径的海底前期勘察与绘制，同时，也可用于对海缆和水下建筑进行维护??等方面。??图１－３先进实时地球监测网络示意图??国内在海洋多智能体协作系统研究方面起步较晚，大多数处于基础理论研究和单项??研究阶段，尚未进入实用阶段。从事该方面研究的机构主要有中科院沈阳自动化研究所、??西北工业大学、华中科技大学、哈尔滨工程大学，以及北京航空航天大学等。中科院沈阳??自动化研究所提出了利用多智能体系统对海底热液烟囱定位的方法，并进行了相关的实验??研究西北工业大学在多ＡＵＶ系统编队控制方面取得了较多成果Ｍ。华中科技大学研??究了水下机器人间相互通信最小的编队控制策略ＩＭＳ哈尔滨工程大学边信黔团队提出一套??多水下机器人编队规则，以及使水下机器人间通信最小化的监控逻辑，解决了多水下机器??人在三维空间内路径跟踪编队控制的问题［０，？北京航空航天大学进行了多仿生机器鱼编队??控制的研究。??１．２．２协同最优估计研究现状??近年来，多智能体系统，如多无人机、多地面机器人以及多航天器等系统，在环境??监测与目标跟踪方面，得到了广泛的应用由于智能体传感器量测噪声会“掩盖”貝??标的真实状态信息。因此，有必要对目标的状态信息
?第二章预备知识???第二章预备知识??２．１无人水面船的数学模型??为了描述无人船运动，需要将其放入已定义的坐标系中进行分析。本文主要采用两??种直角芷交坐标系，如图２－１所示，即地面坐标系ＯＸＹ和ＵＳＶ体坐标系??ｊ?ｉ??Ｙ??一?Ｈ?１?ｔ??〇＼?Ｘ??图２－１坐标系示Ｓ图??本文采用的欠驱动无人船３自由度数学模型来自Ｆｏｓｓｅｎ７８１，该模型最大特点是考虑??了惯性矩阵和流体阻尼矩阵的非对角性。具体地，其运动学模型和动力学模型可表示为：??？？?＝??（２．１）??ＭＯ?＝?—Ｃ｛ｙ）ｖ?—?Ｄ｛ｕ）ｖ?＋??其中，ｑ?＝?［ａ；，队＿Ｔ?Ｇ?Ｍ３ｘ?１中的；ｒ和ｙ是地面坐标系下的位置，＃为偏航角，Ｊ（？〗）Ｇ?Ｒ３錄??是体坐标系到地面坐标系的转换矩阵，■是体坐标系下的速度向量，ｕ、代??表前向、侧向速度，ｒ是无人船转速；Ｍ?＝?ＡｆＴｅＫ３ｘ３是非对角惯性矩阵，??是向心哥氏力矩阵，乃（／／）?ｅ?ｆｆｉ３ｘ３为流体阻尼矩阵，ｄ?＝?［４，?ｅ?Ｋ３ｘｌ为未知外界??干扰，７?＝?［７；［１；０）？＾￡舻＞＜１是控制输入，考虑控制输入存在饱和的问题，因此，定义其??饱和函数阶）＝［Ｗｔ＾Ｏ為（ｒｒ）］?Ｇ?Ｋ３ｘ１，??Ｉ＾ｊｉｎａｘ；?Ｖ?丁ｉ?＞?Ｔ：ｉ，ｍａｘ??ｎ，．?ｉｆ?ｎ＾ｍ?＜ｎ＜?（２．２）??％，ｍｉｎ，?ｉｆ?ｎ?＜?Ｔ＂ｉｍｍ??其中，ｉ?＝?１，?３。此外，定义死区函数Ｘ＇?＝［知！?〇，．心］二ｒ?—?５（ｒ）?Ｇ?Ｒ＿３ｘｌ?ａ??具体地，矩阵．７＿，ＣＭ，?和Ｍ可定义为??ｃｏｓ?ｉｂ?—?ｓｉｎ?＾?０?０?０?—ｎ＾ｖ?—?ｒｒ＾ｒ?
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