面向空間曲線路徑跟蹤的多UUV協(xié)調(diào)編隊(duì)控制.pdf

1、早期的編隊(duì)控制只要求UUV間的相對位置或距離達(dá)到期望值，對單個(gè)UUV的路徑?jīng)]有加以限制，而多UUV在進(jìn)行海底管線檢測、協(xié)作建立海底地圖等特殊任務(wù)時(shí)，UUV必須沿著指定的路徑運(yùn)動(dòng)，顯然，傳統(tǒng)的編隊(duì)控制律不能解決此類特殊的編隊(duì)問題。本文針對同構(gòu)的某型無人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)在完成路徑跟蹤(直線路徑和曲線路徑)的基礎(chǔ)上對多UUV的協(xié)調(diào)編隊(duì)控制進(jìn)行了研究。主要研究內(nèi)容如下：
　　

2、首先，依據(jù)多UUV的協(xié)調(diào)路徑跟蹤控制任務(wù)，提出了一種具有“時(shí)空解耦”特性的多UUV分散控制體系結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)將空間任務(wù)(路徑跟蹤)和時(shí)間任務(wù)(協(xié)調(diào)編隊(duì))解耦。第一步，UUV執(zhí)行各自的路徑跟蹤控制律，完成空間上的控制任務(wù)，即保證各UUV運(yùn)動(dòng)收斂到指定路徑上；第二步，通過UUV之間的信息交換設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)控制律，調(diào)整UUV的前向運(yùn)動(dòng)速度，完成時(shí)間上的控制任務(wù)。另外，介紹了多UUV系統(tǒng)協(xié)調(diào)編隊(duì)時(shí)水聲通信的應(yīng)用；在通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表示上提出了圖論表示法

3、。該部分內(nèi)容為后續(xù)章節(jié)控制策略和控制器的設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。
　　 其次，基于上述設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)，研究了空間直線路徑跟蹤下多UUV的協(xié)調(diào)編隊(duì)控制問題。在路徑跟蹤控制器設(shè)計(jì)中，忽略橫搖的影響，基于視距導(dǎo)航法建立了單個(gè)UUV的路徑跟蹤誤差模型，將UUV的位置誤差跟蹤控制分別轉(zhuǎn)化為UUV的航速誤差、艏向角誤差和縱傾角誤差的漸近穩(wěn)定控制，并結(jié)合級聯(lián)控制方法和反饋線性化控制方法分別對其設(shè)計(jì)了控制器，該方法設(shè)計(jì)的控制器簡單，易于工程實(shí)現(xiàn)。針

4、對領(lǐng)航者法中因領(lǐng)航者失效造成全局崩潰的問題，提出了基于圖論的分散式隊(duì)形控制方法，該方法提供了UUV之間的狀態(tài)信息反饋通道，UUV根據(jù)所得狀態(tài)信息，可交互式調(diào)整自身的速度來設(shè)計(jì)速度協(xié)調(diào)控制器。相對于領(lǐng)航者法中領(lǐng)航者不能得到跟隨者的狀態(tài)反饋信息，其更能有效的保證UUV間的信息交互和隊(duì)形控制。
　　 再次，由于直線路徑跟蹤控制是在平衡點(diǎn)附近的鄰域內(nèi)的鎮(zhèn)定控制，要求位置上實(shí)現(xiàn)跟蹤即可，而曲線路徑跟蹤控制中不僅要求位置上實(shí)現(xiàn)跟蹤，而且速度

5、的矢量方向必須沿路徑的切向方向。兩者的控制器設(shè)計(jì)要求不同，為此，提出了基于虛擬參考目標(biāo)點(diǎn)“牽引”的路徑跟蹤控制策略，對UUV設(shè)計(jì)的動(dòng)力學(xué)路徑跟蹤控制器和運(yùn)動(dòng)學(xué)路徑跟蹤控制器分別實(shí)現(xiàn)了速度和位置的跟蹤，并利用Lyapunov直接法和輸入-狀態(tài)穩(wěn)定性定理證明了路徑跟蹤子系統(tǒng)的穩(wěn)定性、以及系統(tǒng)狀態(tài)和控制輸入的有界性，該方法提高了路徑跟蹤控制的精度。針對水下聲通信受到通信帶寬的限制問題，提出了只交換單變量協(xié)調(diào)狀態(tài)的信息交換方式，該信息交換方式相

6、應(yīng)地減少了UUV間的通信量，滿足了水下聲通信帶寬窄的限制條件。在速度協(xié)調(diào)控制器設(shè)計(jì)中，利用圖論描述多UUV間的通信拓?fù)湫问剑f(xié)調(diào)誤差模型，通過對虛擬參考目標(biāo)點(diǎn)的整體協(xié)調(diào)控制，且考慮了UUV執(zhí)行機(jī)構(gòu)的飽和特性，設(shè)計(jì)了含有雙曲正切函數(shù)的協(xié)調(diào)編隊(duì)控制器，從而保證了系統(tǒng)的控制品質(zhì)。
　　 最后，針對理想環(huán)境的局限性，研究了具有環(huán)境約束的多UUV的協(xié)調(diào)路徑跟蹤控制問題，主要考慮了海流干擾對單個(gè)UUV路徑跟蹤控制的影響和水聲通信約束對多