弱通信條件下多AUV編隊(duì)控制及協(xié)作機(jī)制研究.pdf

1、自主式水下機(jī)器人可以代替人類(lèi)在海洋環(huán)境中執(zhí)行復(fù)雜危險(xiǎn)的工作，在海底探測(cè)、水下作業(yè)、海上作戰(zhàn)等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。鑒于多水下機(jī)器人在各方面的優(yōu)勢(shì)和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，多水下機(jī)器人協(xié)同作業(yè)成為水下機(jī)器人新的應(yīng)用形式。與陸上自主移動(dòng)機(jī)器人相比，水下特殊的工作環(huán)境給多水下機(jī)器人系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)帶來(lái)更多困難。水聲通信產(chǎn)生的不可忽略的信息延遲、通信失效以及高誤碼率等不利因素給多水下機(jī)器人的協(xié)調(diào)與協(xié)作帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。本文以多水下機(jī)器人系統(tǒng)在弱通信環(huán)境

2、中普遍存在的協(xié)同問(wèn)題為核心，分別研究通信時(shí)延及通信失效對(duì)編隊(duì)系統(tǒng)及其穩(wěn)定性的影響和基于局部感知和有限通信范圍的協(xié)調(diào)與協(xié)作機(jī)制。本文的主要研究工作概括如下:
　　(1)研究了一類(lèi)具有雙積分動(dòng)態(tài)的群體編隊(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，針對(duì)水聲通信容易產(chǎn)生較大的信息延遲問(wèn)題，為了使編隊(duì)收斂至指定速度，采用時(shí)延依賴(lài)的分布式控制律產(chǎn)生控制輸入，然后利用拉普拉斯矩陣的性質(zhì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行線性變換，根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)分析系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的條件以及收斂性，研究時(shí)延上限與

3、控制參數(shù)和通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化關(guān)系，并表明在控制律中加入時(shí)延相關(guān)的預(yù)測(cè)項(xiàng)的必要性;針對(duì)水聲通信失效或偶然中斷問(wèn)題，將該編隊(duì)系統(tǒng)看作一個(gè)具有馬爾可夫性質(zhì)的切換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在一致性算法的基礎(chǔ)上，利用不可分解且非周期隨機(jī)矩陣的性質(zhì)，分析群體收斂至穩(wěn)定的期望編隊(duì)的條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所采用的控制律和得到的穩(wěn)定結(jié)論是正確的，有效地解決了通信時(shí)延和通信失效情況下的群體編隊(duì)問(wèn)題，對(duì)于多水下機(jī)器人在弱通信環(huán)境中的編隊(duì)問(wèn)題具有一定的實(shí)用價(jià)值。
　　(2

4、)在前面研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合水下機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)特性，研究了通信時(shí)延和通信失效影響的多水下機(jī)器人編隊(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題。以某型全驅(qū)動(dòng)水下機(jī)器人為例，通過(guò)變換將其動(dòng)態(tài)模型表示為雙積分形式，并以雙積分群體編隊(duì)控制律和穩(wěn)定性結(jié)論為基礎(chǔ)，分別設(shè)計(jì)水下機(jī)器人在通信時(shí)延和通信失效情況下的控制輸入，證明在一定條件下，所采用的方法能夠使多個(gè)水下機(jī)器人逐漸地收斂至指定編隊(duì)。對(duì)于通信失效問(wèn)題，還分析采用DR算法對(duì)收斂過(guò)程的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的策略和得到的結(jié)

5、論是有效的。
　　(3)研究了多水下機(jī)器人協(xié)同目標(biāo)搜索機(jī)制，將任務(wù)完成過(guò)程分為目標(biāo)線索搜索、追蹤目標(biāo)線索和準(zhǔn)確定位目標(biāo)三個(gè)階段。以海底熱液探測(cè)為例，水下機(jī)器人在開(kāi)始階段以編隊(duì)運(yùn)動(dòng)方式在較大海域內(nèi)進(jìn)行全局范圍的目標(biāo)線索搜索，然后在局部范圍內(nèi)完成目標(biāo)線索跟蹤和目標(biāo)定位任務(wù)。針對(duì)水聲通信的通信范圍小、通信質(zhì)量差等限制，利用交哺式通信在水下機(jī)器人群體內(nèi)部涌現(xiàn)出“虛擬食物”的梯度方向，模擬魚(yú)群行為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)線索跟蹤。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，群體內(nèi)部的擁

6、擠因子和“虛擬食物”閾值對(duì)系統(tǒng)性能有影響，引入魚(yú)群行為和增加擁擠因子有利于提高完成任務(wù)的效率。
　　(4)以海洋礦物標(biāo)本或海底硫化物的采集作業(yè)為應(yīng)用背景，研究了生物交哺行為在多水下機(jī)器人協(xié)作搜集任務(wù)中的應(yīng)用。給每個(gè)水下機(jī)器人定義一個(gè)內(nèi)部變量衡量其自身的工作狀態(tài)，并通過(guò)比較不同水下機(jī)器人的內(nèi)部狀態(tài)變量來(lái)判斷交哺的可能性和方向性，進(jìn)一步用狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖表示不同工作狀態(tài)之間的關(guān)系。利用微分方程從宏觀角度描述了系統(tǒng)中水下機(jī)器人在各狀態(tài)的分布隨