自主式水下航行器的點(diǎn)鎮(zhèn)定及編隊(duì)控制研究.pdf

1、海洋資源對(duì)于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，自主式水下航行器(Autonomous underwater vehicles，AUVs)是海洋探測(cè)、開(kāi)發(fā)以及完成各類(lèi)水下作業(yè)的重要工具。AUV的動(dòng)態(tài)特性是一個(gè)比較復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，其驅(qū)動(dòng)行駛很不靈活，行駛的軌跡與期望路徑相比往往不盡人意，且水下環(huán)境惡劣系統(tǒng)擾動(dòng)源多，擾動(dòng)力大，使得研究如何實(shí)現(xiàn)AUV的點(diǎn)鎮(zhèn)定具有重要意義。隨著海洋科學(xué)考察和海洋開(kāi)發(fā)需求的增加，AUV應(yīng)用領(lǐng)域的日趨擴(kuò)大，人們開(kāi)

2、始關(guān)注利用多個(gè)AUV的協(xié)同作業(yè)，共同完成復(fù)雜任務(wù)的研究。多AUV編隊(duì)問(wèn)題是多AUV協(xié)調(diào)合作中的一個(gè)典型性的問(wèn)題，所謂的編隊(duì)控制是指多個(gè)機(jī)器人在到達(dá)目的地的過(guò)程中，要求在適應(yīng)環(huán)境約束的條件下保持某種隊(duì)形的控制技術(shù)。目前多AUV編隊(duì)控制技術(shù)的研究處于起步階段，還沒(méi)有形成有關(guān)多AUV編隊(duì)控制的一般研究方法。本研究主要內(nèi)容包括：
　　 ⑴研究低速運(yùn)行情況下AUV運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型以及海浪力模型。通過(guò)對(duì)Fossen六自由度模型的簡(jiǎn)化，得到了線

3、性部分與非線性部分分離的四自由度的AUV的數(shù)學(xué)模型和受外部擾動(dòng)以及時(shí)滯作用下的AUV控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。再依據(jù)海浪力學(xué)理論，給出能夠描述在AUV運(yùn)行中所受到的海浪力的數(shù)學(xué)模型。
　　 ⑵研究AUV非線性時(shí)滯系統(tǒng)的最優(yōu)無(wú)靜差點(diǎn)鎮(zhèn)定問(wèn)題。首先通過(guò)嵌入內(nèi)模，構(gòu)造了無(wú)靜差擾動(dòng)補(bǔ)償器，并由其與原系統(tǒng)共同構(gòu)成一個(gè)增廣系統(tǒng)，然后研究由原系統(tǒng)與無(wú)靜差擾動(dòng)補(bǔ)償器構(gòu)成的增廣系統(tǒng)的最優(yōu)點(diǎn)鎮(zhèn)定問(wèn)題。由極大值原理，得到了無(wú)擾動(dòng)作用下的增廣系統(tǒng)的兩點(diǎn)邊值問(wèn)

4、題。通過(guò)構(gòu)造一個(gè)迭代序列將非線性系統(tǒng)的最優(yōu)點(diǎn)鎮(zhèn)定問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求解非線性兩點(diǎn)邊值序列問(wèn)題，證明了該迭代方程序列的解一致收斂于原系統(tǒng)的最優(yōu)控制律。在每次迭代過(guò)程中，最優(yōu)控制律的線性反饋部分是通過(guò)求解一個(gè)Riccati方程精確得到的，非線性補(bǔ)償項(xiàng)則是線性伴隨向量方程迭代序列的極限值。仿真實(shí)例驗(yàn)證了不同擾動(dòng)情況下，所設(shè)計(jì)的無(wú)靜差控制律的有效性。
　　 ⑶研究AUV非線性系統(tǒng)的點(diǎn)鎮(zhèn)定問(wèn)題，并提出一種線性分解控制策略。首先建立了AUV的三維空

5、間運(yùn)動(dòng)模型，其次將該AUV系統(tǒng)的5個(gè)狀態(tài)變量按順序分解為3組，并按分組順序?qū)⒖刂七^(guò)程分為3個(gè)階段完成控制任務(wù)，最后給出了每個(gè)階段的系統(tǒng)控制律。通過(guò)對(duì)AUV三維空間的點(diǎn)鎮(zhèn)定問(wèn)題進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了該線性分解控制策略的有效性，且其能夠在小能耗的情況下完成AUV的定點(diǎn)行駛。
　　 ⑷研究帶有控制和狀態(tài)時(shí)滯的AUV最優(yōu)前饋反饋鎮(zhèn)定問(wèn)題。利用狀態(tài)變換，把帶有控制時(shí)滯的AUV動(dòng)態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成沒(méi)有控制時(shí)滯的系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了帶有時(shí)滯記憶的最優(yōu)反饋控制律

6、，同時(shí)通過(guò)嵌入擾動(dòng)補(bǔ)償器，保證了AUV控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據(jù)最優(yōu)控制理論，得到既含有時(shí)滯項(xiàng)又含有超前項(xiàng)的兩點(diǎn)邊值問(wèn)題。利用逐次逼近方法將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求解無(wú)時(shí)滯最優(yōu)反饋?lái)?xiàng)和最優(yōu)時(shí)滯補(bǔ)償項(xiàng)的解耦形式，無(wú)時(shí)滯最優(yōu)反饋?lái)?xiàng)由求解一個(gè)Riccati方程直接得到，最優(yōu)時(shí)滯補(bǔ)償項(xiàng)由迭代求解伴隨向量序列近似求得。最后給出算法，并以仿真算例驗(yàn)證了該算法在不同時(shí)滯下的有效性，算法僅對(duì)向量方程進(jìn)行迭代，收斂性好，時(shí)空需求低。
　　 ⑸研究基于輸出反饋控制

7、的多AUV編隊(duì)控制問(wèn)題。首先，建立了一個(gè)編隊(duì)跟蹤控制模型。通過(guò)提出一個(gè)相似組合變換，將多AUV的編隊(duì)控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化成了整體系統(tǒng)的最優(yōu)跟蹤控制問(wèn)題。針對(duì)由極大值原理導(dǎo)出的非線性兩點(diǎn)邊值問(wèn)題，采用逐次逼近方法分別構(gòu)造了已知初始條件和終端條件的兩個(gè)微分方程迭代序列，對(duì)于無(wú)限時(shí)域的情形，給出并證明了最優(yōu)跟蹤控制律的存在性和唯一性。仿真算例驗(yàn)證了編隊(duì)控制律的有效性和高效性。
　　 ⑹研究受外部擾動(dòng)影響下多AUV的編隊(duì)控制問(wèn)題。外部擾動(dòng)的存在