編隊約束條件下多UUV協(xié)同路徑跟蹤控制研究.pdf

1、多無人水下航行器(MultipleUnmanned Underwater Vehicle/UUVs)作為一類重要的水下作業(yè)工具，其在海底資源勘探、水下油氣開發(fā)及海洋軍事偵察等領域發(fā)揮著越來越重要的作用。與單個無人水下航行器相比，其不論在時間和空間上都提高了任務執(zhí)行的效率并且系統(tǒng)具有良好的魯棒性。例如，多UUV編隊對海底油氣管道進行跟蹤檢查等海洋工程應用中具有重大現(xiàn)實意義。然而，多UUV對編隊路徑的協(xié)同跟蹤策略為其實際應用帶來了諸多難題。

2、因而，本課題對主從式和分布式編隊約束條件下的多UUV對給定路徑的協(xié)同跟蹤進行了重點研究。通過對編隊約束下多 UUV的協(xié)同路徑跟蹤所研究的內(nèi)容進行具體分析，可以將其細分為兩大部分：一部分是單無人水下航行器的路徑跟蹤控制器設計；一部分是多UUV編隊策略實現(xiàn)。最后，以單個航行器路徑跟蹤控制器設計為實現(xiàn)基礎上結合多無人水下航行器編隊協(xié)同策略，實現(xiàn)基于路徑跟蹤的多UUV編隊約束條件下對指定路徑的協(xié)同跟蹤。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴以大地和

3、艇體坐標系為載體，建立UUV六自由度數(shù)學模型，在不影響UUV基本運動特性的前提下，將航行器的模型簡化并得到其水平面的動力學及運動學模型，即其只剩下艏向、縱向和橫向三個自由度方向的運動。為了確保所設計模型的真實有效性，文中對所建立的航行器運動數(shù)學模型進行了水平面回轉運動和直線運動的仿真驗證。⑵針對單無人水下航行器的路徑跟蹤實現(xiàn)問題，文中提出了基于李雅普諾夫函數(shù)直接法和反步法相結合的控制器設計思想。反步法理論一般是從控制器系統(tǒng)低階微分方程出

4、發(fā)開始進行設計，通過引入虛擬控制輸入量概念進而求得可以使李雅普諾夫函數(shù)為負的鎮(zhèn)定函數(shù)，即得到分布控制律。通過重復進行虛擬控制量的求取，直到得到滿足最終要求的路徑跟蹤控制律。為了保證所設計的系統(tǒng)是穩(wěn)定可靠的，基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論對其進行了有效性證明。⑶研究主從式編隊約束條件下多UUV對給定路徑的協(xié)同跟蹤控制問題。通過對 Lyapunov系統(tǒng)理論及反步法設計理論的詳細分析總結，結合主從式編隊策略，依據(jù)UUV對期望路徑的跟蹤誤差最終收斂至

5、零的思想設計了主從式多無人水下航行器的協(xié)同編隊策略。實現(xiàn)了主從式編隊約束下多無人水下航行器協(xié)同對給定期望路徑的跟蹤，并對設計的協(xié)同路徑跟蹤控制器進行了仿真驗證。⑷研究分布式編隊約束條件下多UUV對給定路徑的協(xié)同跟蹤控制問題。通過引進圖論等相關理論，對多UUV分布式約束條件下的通信機制進行了描述設計，并將每個無人水下航行器的路徑參考點之間的廣義弧長進行統(tǒng)一歸化到同一條虛擬路徑上然后并加以比較，據(jù)此來協(xié)調各航行器的速度控制律來實現(xiàn)各UUV速