編隊(duì)約束條件下多UUV協(xié)同路徑跟蹤控制研究.pdf

1、多無(wú)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(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。與單個(gè)無(wú)人水下航行器相比，其不論在時(shí)間和空間上都提高了任務(wù)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(duì)對(duì)海底油氣管道進(jìn)行跟蹤檢查等海洋工程應(yīng)用中具有重大現(xiàn)實(shí)意義。然而，多UUV對(duì)編隊(duì)路徑的協(xié)同跟蹤策略為其實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了諸多難題。

2、因而，本課題對(duì)主從式和分布式編隊(duì)約束條件下的多UUV對(duì)給定路徑的協(xié)同跟蹤進(jìn)行了重點(diǎn)研究。通過(guò)對(duì)編隊(duì)約束下多 UUV的協(xié)同路徑跟蹤所研究的內(nèi)容進(jìn)行具體分析，可以將其細(xì)分為兩大部分：一部分是單無(wú)人水下航行器的路徑跟蹤控制器設(shè)計(jì)；一部分是多UUV編隊(duì)策略實(shí)現(xiàn)。最后，以單個(gè)航行器路徑跟蹤控制器設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)上結(jié)合多無(wú)人水下航行器編隊(duì)協(xié)同策略，實(shí)現(xiàn)基于路徑跟蹤的多UUV編隊(duì)約束條件下對(duì)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(biāo)系為載體，建立UUV六自由度數(shù)學(xué)模型，在不影響UUV基本運(yùn)動(dòng)特性的前提下，將航行器的模型簡(jiǎn)化并得到其水平面的動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，即其只剩下艏向、縱向和橫向三個(gè)自由度方向的運(yùn)動(dòng)。為了確保所設(shè)計(jì)模型的真實(shí)有效性，文中對(duì)所建立的航行器運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了水平面回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)的仿真驗(yàn)證。⑵針對(duì)單無(wú)人水下航行器的路徑跟蹤實(shí)現(xiàn)問(wèn)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(jié)合的控制器設(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)引入虛擬控制輸入量概念進(jìn)而求得可以使李雅普諾夫函數(shù)為負(fù)的鎮(zhèn)定函數(shù)，即得到分布控制律。通過(guò)重復(fù)進(jìn)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(shè)計(jì)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(duì)其進(jìn)行了有效性證明。⑶研究主從式編隊(duì)約束條件下多UUV對(duì)給定路徑的協(xié)同跟蹤控制問(wèn)題。通過(guò)對(duì) Lyapunov系統(tǒng)理論及反步法設(shè)計(jì)理論的詳細(xì)分析總結(jié)，結(jié)合主從式編隊(duì)策略，依據(jù)UUV對(duì)期望路徑的跟蹤誤差最終收斂至

5、零的思想設(shè)計(jì)了主從式多無(wú)人水下航行器的協(xié)同編隊(duì)策略。實(shí)現(xiàn)了主從式編隊(duì)約束下多無(wú)人水下航行器協(xié)同對(duì)給定期望路徑的跟蹤，并對(duì)設(shè)計(jì)的協(xié)同路徑跟蹤控制器進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。⑷研究分布式編隊(duì)約束條件下多UUV對(duì)給定路徑的協(xié)同跟蹤控制問(wèn)題。通過(guò)引進(jìn)圖論等相關(guān)理論，對(duì)多UUV分布式約束條件下的通信機(jī)制進(jìn)行了描述設(shè)計(jì)，并將每個(gè)無(wú)人水下航行器的路徑參考點(diǎn)之間的廣義弧長(zhǎng)進(jìn)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(lái)協(xié)調(diào)各航行器的速度控制律來(lái)實(shí)現(xiàn)各UUV速