多動力定位船的協(xié)調(diào)編隊控制方法研究.pdf

1、隨著對海洋資源的不斷開發(fā)和利用，現(xiàn)已逐漸從淺海域向深海域躍進，伴隨而來的是對海上作業(yè)的效率和對海洋資源開發(fā)的自動化程度提出了更高的要求。盡管船舶動力定位技術(shù)發(fā)展迅速，然而單艘船舶的作業(yè)能力畢竟有限，并且由于能源的限制，單艘船舶可作業(yè)的時間比較短。在實際應(yīng)用中往往需要多艘船舶相互協(xié)調(diào)，共同完成某復(fù)雜任務(wù)。另外相對于單艘船舶，多艘船舶相互協(xié)調(diào)作業(yè)有著許多潛在的優(yōu)勢：可以提高作業(yè)的效率，具有容錯性強和適應(yīng)性強等優(yōu)點。因此對多動力定位船舶的協(xié)調(diào)

2、編隊控制的研究具有重要的實際應(yīng)用價值。本文圍繞此熱點性問題，針對多動力定位船舶的協(xié)調(diào)編隊控制方法和船舶受擾動時的魯棒協(xié)調(diào)編隊控制方法展開深入地研究，其主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　首先，針對多艘動力定位船舶在無外界擾動下的協(xié)調(diào)編隊控制，基于虛擬領(lǐng)航者的協(xié)調(diào)策略，應(yīng)用無源同步控制理論，提出了一種基于虛擬領(lǐng)航者的無源協(xié)調(diào)編隊控制方法。該方法是基于制導(dǎo)-控制的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，其中制導(dǎo)系統(tǒng)是通過仿真虛擬船并設(shè)計相應(yīng)任務(wù)的控制器，從而得

3、到船舶協(xié)調(diào)作業(yè)時期望的位置和速度信息，控制系統(tǒng)則是應(yīng)用無源同步控制理論設(shè)計船舶對不同作業(yè)模式通用的協(xié)調(diào)編隊控制器，根據(jù)制導(dǎo)系統(tǒng)給出的期望信號得到相應(yīng)作業(yè)模式下船舶的控制力輸入，來驅(qū)動船舶形成期望的隊形協(xié)同執(zhí)行某作業(yè)，同時應(yīng)用嵌套Matrosov定理來分析整個控制系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性。最后通過仿真驗證了所提的協(xié)調(diào)算法可以不需要全局通信仍能使船舶實現(xiàn)不同作業(yè)模式下的協(xié)調(diào)編隊作業(yè)。
　　其次，針對多艘動力定位船舶在更一般的有向非平衡通信拓撲

4、圖下的協(xié)調(diào)編隊控制，應(yīng)用無源性理論，提出了一種有向通信拓撲下的無源協(xié)調(diào)編隊控制方法。該方法是在前面提出的基于虛擬領(lǐng)航者的無源協(xié)調(diào)編隊控制方法基礎(chǔ)上，將船舶的控制力輸入分為鎮(zhèn)定力和協(xié)調(diào)控制力兩部分進行設(shè)計的，且該控制力要保證系統(tǒng)的無源性。同時結(jié)合有向強連通圖的性質(zhì)，基于李亞普諾夫穩(wěn)定性理論對整個系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性進行了分析和證明。進一步，在有向通信拓撲下分別設(shè)計了船舶協(xié)調(diào)定位、協(xié)調(diào)循跡和編隊等常用的作業(yè)模式對應(yīng)的協(xié)調(diào)控制器，并基于混雜系統(tǒng)理

5、論實現(xiàn)了船舶在不同作業(yè)模式間的平滑切換，以滿足船舶實際作業(yè)的需求。最后通過仿真驗證了所提的協(xié)調(diào)編隊控制算法和多作業(yè)模式下的混雜協(xié)調(diào)編隊算法的有效性。
　　再次，針對動力定位船舶受到未知定常海流干擾下的協(xié)調(diào)編隊控制，基于虛擬領(lǐng)航者的協(xié)調(diào)策略，應(yīng)用自適應(yīng)反步法，提出了一種基于虛擬領(lǐng)航者的魯棒協(xié)調(diào)編隊控制算法。為了使所有船舶能夠?qū)崿F(xiàn)抗擾動的協(xié)調(diào)編隊控制，通過仿真虛擬船作為領(lǐng)航者來確定每艘船舶的期望位置信息，并應(yīng)用反步法對每艘船舶設(shè)計相應(yīng)

6、的非線性控制器，來保證船舶形成期望的隊形協(xié)調(diào)作業(yè)。同時針對未知定常擾動，應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)對基于反步法設(shè)計的控制器進行再設(shè)計，實現(xiàn)對未知擾動的估計，最終保證船舶在海流干擾下仍能實現(xiàn)協(xié)調(diào)編隊控制，整個系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性是應(yīng)用李亞普諾夫穩(wěn)定性理論進行分析。最后通過仿真驗證了所提的魯棒協(xié)調(diào)編隊算法的有效性。
　　最后，針對動力定位船舶受到時變海洋環(huán)境擾動下的協(xié)調(diào)編隊控制，將交叉耦合同步控制技術(shù)和反步滑模控制方法相結(jié)合，提出了一種基于交叉耦

7、合同步的魯棒協(xié)調(diào)編隊控制算法。該算法應(yīng)用交叉耦合同步控制技術(shù)來設(shè)計協(xié)調(diào)編隊控制器，主要是使得船舶受到時變擾動仍能保持很好的協(xié)調(diào)性能。將交叉耦合控制進行改進，使其能夠和反步滑?？刂葡嗳诤?，得到魯棒的協(xié)調(diào)編隊控制算法來實現(xiàn)對時變擾動的抵抗或補償。由于該協(xié)調(diào)算法主要是通過定義相互之間的交叉耦合誤差來消除其同步誤差，從而實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，所以該方法可以推廣到更一般的無領(lǐng)航者的協(xié)調(diào)編隊控制，即所有個體的地位平等，而不需要強調(diào)誰起的作用比較重要。另外應(yīng)