自主式水下航行器的最優(yōu)編隊控制研究.pdf

1、本文主要研究多自主式水下航行器（Autonomous underwater vehicles，AUVs）編隊中的軌跡跟蹤控制問題與能量最省控制問題。AUV的動態(tài)特性是一類比較復雜的非線性系統(tǒng)，狀態(tài)向量相互之間的耦合性很高，控制難度較大。本文首先綜述了國內(nèi)外AUV控制研究領域的最新成果，對AUV航行中所涉及的多個因素進行數(shù)學建模，然后在模型基礎上對AUV提出了多種控制要求，并給出了各種要求下系統(tǒng)控制律的求解過程。文章從不同尺度考慮了不同機

2、動類型的AUV在不同編隊模式下對應的時滯系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題，對多AUV編隊與時滯系統(tǒng)的相關研究做出了貢獻。本文主要的研究內(nèi)容和創(chuàng)新點現(xiàn)概括如下：
　　1.化簡了六自由度AUV運動學和動力學系統(tǒng)的數(shù)學模型，建立了海浪力干擾模型，并考慮了時滯對數(shù)學模型的影響。通過對Fossen提出的六自由度AUV模型的簡化，給出了合理假設條件下四自由度的AUV非線性數(shù)學模型，降低了控制復雜度；依據(jù)海浪力學理論，得出了海浪力作為外界擾動系統(tǒng)的一般狀態(tài)空

3、間描述形式；根據(jù)AUV實驗數(shù)據(jù)和水聲通信理論，給出了AUV航行過程中時滯的估計，及其在AUV運動系統(tǒng)中的數(shù)學表現(xiàn)形式。
　　2.研究了一類小尺度下AUV非線性時滯系統(tǒng)的有限時間點到達問題。視AUV運動方程為AUV姿態(tài)控制方程與軌跡控制方程組成的級聯(lián)系統(tǒng)，利用先控制姿態(tài)后跟蹤軌跡的方法，實現(xiàn)非線性控制問題的線性化。接下來考慮時滯對AUV系統(tǒng)的影響，對線性化模型進行修正使其更貼近實際系統(tǒng)。最后對軌跡控制過程提出有限時間到達的問題，并給

4、出AUV最優(yōu)控制律的設計方案。用Matlab仿真實例驗證了設計方法的有效性。
　　3.考慮了一類二維水平面上帶有隊形約束條件的多AUV編隊最優(yōu)控制問題。提出了地坐標系下描述隊形約束條件的控制性能指標，設計以速度為輸入量的控制律代替驅(qū)動力控制，將AUV動態(tài)模型轉(zhuǎn)換為非線性低耦合系統(tǒng)。針對控制要求設計控制器實現(xiàn)最優(yōu)跟蹤控制，并給出了數(shù)值仿真實例與軌跡效果圖，驗證了控制方法的可行性。
　　4.提出了“觀察者”編隊模式，建立了一類大

5、尺度下編隊跟蹤控制模型。對AUV系統(tǒng)進行了離散化處理，提出了一類含有等狀態(tài)與控制時滯的離散系統(tǒng)的最優(yōu)跟蹤問題。在求解最優(yōu)控制律時，將擾動下含有狀態(tài)與輸入時滯的離散系統(tǒng)進行模型轉(zhuǎn)化，使之變成一個無時滯的系統(tǒng)。對該系統(tǒng)求解所得結果為一前饋反饋控制律。仿真結果表明所設計的控制律的有效性。
　　5.討論了大尺度網(wǎng)絡環(huán)境下 AUV的遠程能量最省控制問題。首先考慮了大尺度條件下水聲通信產(chǎn)生的網(wǎng)絡誘導時滯對AUV二階動力模型的影響，建立了含有時

6、滯的控制模型，并提出最小能量控制的最優(yōu)性能指標。在控制律設計過程中，首先將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為無時滯狀態(tài)向量描述的形式，然后通過設計新狀態(tài)描述的無時滯系統(tǒng)的最優(yōu)控制律，使AUV系統(tǒng)能夠在完成預定要求的同時控制能量輸出最省。最后我通過仿真實例證明這套方法的有效性。
　　6.研究了含有多時滯影響的多AUV能量最省編隊控制問題。描述了“指揮者”編隊模式，建立了含有多狀態(tài)時滯與多控制時滯的AUV集中編隊控制系統(tǒng)數(shù)學模型，提出了編隊能量最省問題。將該