【摘要】：近幾十年來,自主式水下機器人(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)技術取得了長足的發(fā)展,在海洋水文數(shù)據采集、海底探測、目標搜索等各領域發(fā)揮了日益重要的作用。隨著作業(yè)任務要求的不斷提高,單個AUV已經難以滿足日益復雜的作業(yè)需求。多AUV系統(tǒng)在探測區(qū)域可以分布于不同的空間位置,執(zhí)行作業(yè)任務可以相互配合,系統(tǒng)組成和傳感器配置可以存在冗余。憑借這些優(yōu)勢,多AUV系統(tǒng)在大范圍、高時效的海洋探測活動中,具有單個AUV無法比擬的優(yōu)勢。近二十年來,多AUV系統(tǒng)的理論和應用研究日益引起了相關科研人員的重視。本論文針對多AUV系統(tǒng)中的一個關鍵和基礎性問題——多AUV協(xié)同編隊,展開了研究工作。論文的研究工作主要包括以下方面:(1)開展了多AUV編隊控制算法體系結構的研究工作。根據已經取得的海上試驗成果,在分析虛擬領航者-跟隨者編隊控制算法的基礎上,將虛擬領航者和隊形位置向量抽象為編隊隊形組織層,形成本論文的算法框架。本論文采用蜂擁編隊控制算法,人工勢場和虛擬結構相結合的編隊控制算法,進行編隊隊形的組織。(2)開展了基于目標跟蹤的多AUV蜂擁編隊控制算法的研究工作。采用多智能體蜂擁算法進行編隊隊形的組織,設計了欠驅動AUV的目標跟蹤算法。多智能體在虛擬領航者周圍形成準晶格狀的編隊隊形,AUV跟蹤對應的智能體,漸進生成相同的編隊隊形。增強了 AUV編隊控制算法的魯棒性和擴展性。(3)開展了基于反饋線性化的多AUV蜂擁編隊控制算法的研究工作。采用反饋線性化方法將AUV的運動模型化簡為類似于質點的運動模型,并進一步分解為平動子系統(tǒng)和艏搖子系統(tǒng)。平動子系統(tǒng)采用蜂擁算法進行控制,艏搖子系統(tǒng)采用振子相位一致性算法進行控制。(4)開展了虛擬領航者狀態(tài)計算去中心化的研究工作。將虛擬領航者的計算由信息中心遷移至系統(tǒng)中的每臺AUV。設計了分布式信息一致性算法,使不同AUV計算的虛擬領航者狀態(tài)趨于一致,真正實現(xiàn)了編隊控制算法的分布式。(5)設計了一種人工勢場和虛擬結構相結合的多AUV編隊控制算法。該算法中人工勢場用于避碰和避障,虛擬結構用于編隊隊形的組織,兩者的結合形成了編隊算法的隊形組織層。AUV跟蹤對應的中間介質點,可以無碰撞地漸進生成指定的編隊隊形,進行編隊變換。(6)開展了多AUV編隊避障的研究工作。將海上試驗可能遇到的障礙物抽象為三種類型,并分別設計了對應的編隊避障算法。設計了四種編隊避障策略,可以針對不同的編隊避障情景擇優(yōu)選取。
【學位授予單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U664.82;TP242
【圖文】：

Ｆｉｇ邋１．４邋Ｒｅｇｉｏｎ邋ｏｆ邋ＡＳＡＰ邋ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ邐Ｆｉｇ邋１．５邋Ｍｏｔｉｏｎ邋ｐａｔｔｅｒｎ邋ｏｆ邋ｇｌｉｄｅｒｓ逡逑（３）海洋觀測站計劃（ＯＯＩ）項目逡逑２０１０年，美國國家科學基金會（Ｎａｔｉｏｎａｌ邋Ｓｃｉｅｎｃｅ邋Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ，ＮＳＦ）組織和支持了逡逑海洋觀測站計劃（Ｏｃｅａｎ邋Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ邋Ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅ，ＯＯＩ）邋［１６？２４］。ＯＯＩ為一項大型的海洋觀逡逑測計劃，目的在于構建一套覆蓋美國近海和公海所有關鍵位置的傳感器網絡，對從海洋逡逑底部到海洋表面的物理、化學、生物和地質等一系列海洋學特征進行觀測。截止到２０１８逡逑年，００１己經提供了超過２５０ＴＢ的觀測數(shù)據。如圖１－６所示，為0０１系統(tǒng)的觀測陣列逡逑

圍內采集數(shù)據，并定期浮上水面校正ＧＰＡ，通過衛(wèi)星上傳數(shù)據和下載指令。逡逑■邋Ｉ逡逑圖１．６邋００１系統(tǒng)的分布邐圖１．７邋Ｅｎｄｕｒａｎｃｅ邋Ａｒｒａｙ的系統(tǒng)示意圖逡逑Ｆｉｇ邋１．６邋Ｌｏｃａｔｉｏｎｓ邋ｏｆ邋ＯＯＩ邋ｓｙｓｔｅｍ邐Ｆｉｇｌ邋．７邋Ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋Ｅｎｄｕｒａｎｃｅ邋Ａｒｒａｙ逡逑（４）邋ＧＲＥＸ及其后續(xù)項目逡逑２００６年，德國、法國、葡萄牙、西班牙、意大利的多家研宄機構，在歐盟第６框架逡逑計劃（６ｔｈ邋ｆｒａｍｅｗｏｒｋ邋ｐｒｏｇｒａｍｍｅ邋ｏｆ邋Ｅｕｒｏｐｅａｎ邋Ｕｎｉｏｎ，邋ＦＰ６）的資助下，開展了名為“未知逡逑環(huán)境下異構無人系統(tǒng)的協(xié)調與控制［２５＇２／］邋（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｃｏｎｔｒｏｌ邋ｏｆ邋ｃｏｏｐｅｒａｔｉｎｇ逡逑ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ邋ｕｎｍａｎｎｅｄ邋ｓｙｓｔｅｍｓ邋ｉｎ邋ｕｎｃｅｒｔａｉｎ邋ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ，簡稱為邋ＧＲＥＸ）’’的研宄項目。逡逑該項目的主要研宄工作包括：水中無人集成指揮控制系統(tǒng)的設計和開發(fā)；包含以太網、逡逑無線電、水聲等多種通訊方式的信息交互；多水中無人系統(tǒng)在位置環(huán)境下的協(xié)調控制。逡逑ＧＲＥＸ于２００９年１１月在葡萄牙Ｓｅｓｉｍｂｒａ海域開展了多水面、水下無人系統(tǒng)的協(xié)同作業(yè)逡逑海上試驗，圖１．８為此次試驗的場景［２７］。逡逑２００９年，ＦＰ７資助了名為“多ＡＵＶ協(xié)同認知與控制技術［２８￣３２］（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄ邋Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ逡逑Ｃｏｎｔｒｏｌ邋ｆｏｒ邋Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ邋Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ邋Ｖｅｈｉｃｌｅｓ

第１章緒論逡逑作包括：多ＡＵＶ系統(tǒng)仿真環(huán)境開發(fā)、２Ｄ＼３Ｄ地圖創(chuàng)建、水下導航技術、協(xié)同行為設計。逡逑圖１．９為２０１１年該項目進行海上協(xié)同探測試驗的場景［２９］。逡逑：：一、逡逑＿邋－逡逑賽邐一．丨…．－－－邐一．邐ｆ邐＾邐，—逡逑圖１．８邋２００９年ＧＲＥＸ海上試驗邐圖１．９邋２０１１年Ｃ０３－ＡＵＶ海上試驗逡逑Ｆｉｇ邋１．８邋ＧＲＥＸ邋ｓｅａ邋ｔｒｉａｌ邋ｉｎ邋２００９邐Ｆｉｇ邋１．９邋Ｃ０３－ＡＵＶ邋ｓｅａ邋ｔｒｉａｌ邋ｉｎ邋２０１１逡逑２０１２年，ＦＰ７又資助了名為“海洋考古機器人系統(tǒng)［ｍ］邋（Ａｒｃｈａｅｏｌｏｇｉｃａｌ邋ｒｏｂｏｔ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑ｆｏｒ邋ｔｈｅ邋ｗｏｒｌｄ’ｓ邋ｓｅａｓ，簡稱ＡＲＲＯＷＳ）邋”和“海洋機器人系統(tǒng)的自組織與基于邏輯的節(jié)點鏈逡逑接［３６－４３］邋（］ｙ］ａｒｉｎｅ邋ｒｏｂｏｔｉｃ邋ｓｙｓｔｅｍ邋ｏｆ邋ｓｅｌｆ－ｏｒｇａｎｉｚｉｎｇ，邋ｌｏｇｉｃａｌｌｙ邋ｌｉｎｋｅｄ邋ｐｈｙｓｉｃａｌ邋ｎｏｄｅｓ，簡稱逡逑ＭＯＲＰＨ）邋”的項目。ＡＲＲＯＷＳ項目主要關注于多ＡＵＶ系統(tǒng)的任務分配，以提高海底掃逡逑描效率。ＭＯＲＰＨ項目的主要研宄工作包括：多ＡＵＶ系統(tǒng)的編隊控制、協(xié)同定位和協(xié)逡逑同導航。２０１２年￣２０１５年，ＭＯＲＰＨ項目進行了多次海上試驗，以檢驗研究成果。逡逑■ａｇａａｅａＢｇ＾ｇ—ｉ逡逑圖ｌ．ｌＯＷｉＭＵＳＴ協(xié)同作業(yè)示意圖逡逑Ｆｉｇ邋Ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ＷｉＭＵＳＴ邋ｃｏｏｐｅｒａｔｉｏｎ逡逑２０１４年，歐盟的多ＡＵＶ系統(tǒng)研究開始走向應用，意大利、葡萄牙、英國、德國、逡逑法國、荷蘭的多家研究機構

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

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本文編號：2754076