【摘要】：自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)由于其活動(dòng)范圍廣、靈活性好、自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢(shì),在海洋資源探索及軍事領(lǐng)域受到廣泛應(yīng)用。隨著任務(wù)復(fù)雜度的增加,單個(gè)AUV已無(wú)法滿足工作需要。相比于單個(gè)AUV,多AUV系統(tǒng)通過(guò)單AUV間的協(xié)調(diào)并行完成復(fù)雜任務(wù),大大提高了任務(wù)完成效率。因此,多AUV協(xié)調(diào)控制研究成為AUV控制問題研究的主要方向之一。本文以多AUV海底地形勘察為應(yīng)用背景,針對(duì)多AUV協(xié)調(diào)控制問題,對(duì)多AUV系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、任務(wù)分配及編隊(duì)控制進(jìn)行研究。多AUV系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)是多AUV協(xié)調(diào)控制的基礎(chǔ)。本文在分析多種體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,為滿足系統(tǒng)自主性和協(xié)調(diào)性的要求,設(shè)計(jì)了一種面向多水下機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)的分層式體系結(jié)構(gòu)。以多區(qū)域地形勘察為應(yīng)用背景,建立了多AUV系統(tǒng)任務(wù)分配模型。該模型從實(shí)際出發(fā),考慮AUV航行時(shí)需要改變速度以及進(jìn)行轉(zhuǎn)彎等操作,建立AUV速度、能耗模型,并在此基礎(chǔ)上構(gòu)造能量消耗函數(shù),將能量消耗函數(shù)和航程距離函數(shù)組成性能指標(biāo)函數(shù)作為多AUV任務(wù)分配的優(yōu)化指標(biāo)。針對(duì)多AUV任務(wù)分配問題,提出了一種基于改進(jìn)蟻群算法的最優(yōu)任務(wù)分配算法。改進(jìn)的蟻群算法設(shè)計(jì)了任務(wù)執(zhí)行能力的螞蟻選擇方法、綜合代價(jià)的啟發(fā)函數(shù)以及全局動(dòng)態(tài)的信息素更新方式,由此提高了算法的自適應(yīng)和全局搜索能力,并在局部搜索中通過(guò)2-opt算法加快了最優(yōu)解收斂速度。Matlab仿真結(jié)果表明,改進(jìn)的蟻群算法可以有效提高任務(wù)分配的效率,并使分配方案在能源消耗和航程距離之間保持良好均衡。針對(duì)未知環(huán)境下多AUV隊(duì)形形成問題,設(shè)計(jì)了基于粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)的多水下機(jī)器人隊(duì)形形成算法。根據(jù)基本行為的優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)了奔向目標(biāo)函數(shù)、隊(duì)形誤差函數(shù)、避碰懲罰函數(shù)、避障懲罰函數(shù),通過(guò)加權(quán)構(gòu)成適應(yīng)度函數(shù)。為適應(yīng)未知環(huán)境,將PSO算法與滾動(dòng)規(guī)劃結(jié)合,以滾動(dòng)方式優(yōu)化各機(jī)器人每步的運(yùn)動(dòng)向量。Matlab仿真結(jié)果表明,在未知環(huán)境下可以快速形成期望隊(duì)形。針對(duì)未知環(huán)境下多AUV編隊(duì)控制問題,設(shè)計(jì)了基于PSO的多水下機(jī)器人隊(duì)形控制算法。算法根據(jù)滾動(dòng)窗口內(nèi)的局部環(huán)境信息對(duì)子目標(biāo)的權(quán)值和粒子飛行方向或編隊(duì)形狀進(jìn)行調(diào)整,實(shí)現(xiàn)隊(duì)形保持及隊(duì)形變換等控制策略。Matlab仿真結(jié)果表明,算法對(duì)未知環(huán)境有很好的適應(yīng)性。
【圖文】：

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和水平1.2.1 國(guó)外水下機(jī)器人研究現(xiàn)狀多 AUV 系統(tǒng)研究的主要問題是如何實(shí)現(xiàn)各 AUV 之間的協(xié)調(diào)。它是 AUV 技術(shù)重點(diǎn)研究問題之一。多 AUV 系統(tǒng)由多個(gè)相對(duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的單個(gè) AUV 構(gòu)成，各 AUV 相互合作完成水下作業(yè)任務(wù)。海底環(huán)境的不確定性為多 AUV 的協(xié)調(diào)控制研究[3]帶來(lái)極大的困難。目前，在研發(fā)和應(yīng)用多種 AUV 方面，美國(guó)、日本以及西歐等國(guó)起步較早，處世界前列。鑒于 AUV 具有廣闊的應(yīng)用前景，許多國(guó)家都設(shè)有獨(dú)立的研究機(jī)構(gòu)，下介紹國(guó)外代表性的多水下機(jī)器人研究項(xiàng)目：（1）麻省理工學(xué)院研發(fā)了自主水下機(jī)器人 Odyssey 及 Reef Explorer，Odyssey 為 2.15m，重 140kg。他們將多 AUV 組成自治式海洋采樣網(wǎng)絡(luò)(AOSN)，，該網(wǎng)絡(luò)通過(guò)星與地面計(jì)算機(jī)傳遞數(shù)據(jù)來(lái)給海洋氣象提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；在執(zhí)行海底地形探測(cè)任務(wù)時(shí)科研人員將多個(gè) AUV 放置在海底的不同區(qū)域，機(jī)器人間以協(xié)作方式進(jìn)行探測(cè)[4]。

圖 1.2 美國(guó)海軍研究生學(xué)院研發(fā)的 Aries 及 RemusFig.1.2 Aries and Remus developed by the United States Navy Graduate School（3）東京大學(xué)成功地研發(fā)了 r2D4、TWIN-BURGER 等多種用途的自主水下除了對(duì) AUV 的導(dǎo)航、故障診斷及數(shù)據(jù)融合等方面進(jìn)行研究，還研究了多機(jī)協(xié)作，每個(gè)機(jī)器人通過(guò)傳感器探測(cè)的信息與其它機(jī)器人個(gè)體交互。為了測(cè)試實(shí)際效果，科研人員開發(fā)了仿真軟件。最終實(shí)驗(yàn)表明研究的協(xié)作方法能有效AUV 間的協(xié)調(diào)。
【學(xué)位授予單位】：江蘇科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP242

【參考文獻(xiàn)】

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1 邱華鑫;段海濱;范彥銘;;基于鴿群行為機(jī)制的多無(wú)人機(jī)自主編隊(duì)[J];控制理論與應(yīng)用;2015年10期

2 曹雷;譚何順;彭輝;潘明聰;;一種多UAV混合動(dòng)態(tài)任務(wù)分配方法[J];南京理工大學(xué)學(xué)報(bào);2015年02期

3 張瑞雷;李勝;陳慶偉;楊春;;復(fù)雜地形環(huán)境下多機(jī)器人編隊(duì)控制方法[J];控制理論與應(yīng)用;2014年04期

4 Zhi-Jiang Du;Li-Min Ren;Wei-Dong Wang;Wei Dong;;Kinematics/Fuzzy Logic Combined Controller for Formation Control of Mobile Robots[J];Journal of Harbin Institute of Technology;2013年04期

5 宋佩莉;祁飛;張鵬;;混合蟻群蜂群算法在旅行Agent問題中的應(yīng)用[J];計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用;2012年36期

6 陳夏冰;劉國(guó)棟;;基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)Sarsa學(xué)習(xí)的多機(jī)器人任務(wù)分配[J];計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件;2012年12期

7 宋運(yùn)忠;楊飛飛;;基于行為法多智能體系統(tǒng)構(gòu)形控制研究[J];控制工程;2012年04期

8 楊尚君;王社偉;陶軍;溫攀;周維杰;;動(dòng)態(tài)環(huán)境下的多UCAV協(xié)同任務(wù)分配研究[J];電光與控制;2012年07期

9 雷艷敏;朱齊丹;馮志彬;;基于混合式控制結(jié)構(gòu)的多機(jī)器人編隊(duì)控制研究[J];計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用;2010年11期

10 吳小菁;;基于揮發(fā)系數(shù)的自適應(yīng)蟻群算法[J];福建金融管理干部學(xué)院學(xué)報(bào);2010年01期

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2 弓英瑛;蟻群算法的改進(jìn)研究與應(yīng)用[D];安徽理工大學(xué);2014年

3 尉建龍;移動(dòng)機(jī)器人編隊(duì)控制及其在氣味源跟蹤中的應(yīng)用[D];天津大學(xué);2012年

4 胡瑋韜;多機(jī)器人編隊(duì)及運(yùn)動(dòng)控制研究[D];西安電子科技大學(xué);2010年

本文編號(hào)：2670089