近些年來,海洋資源正日益得到人們的重視,為此各國科學家都加大了對海洋裝備的研究,力求在海洋資源勘探與開發(fā)領域中占據(jù)制高點。在眾多的海洋裝備中,自主水面船(autonomous surface vehicle,ASV)由于其具有活動范圍廣、成本低、自主能力強等優(yōu)點正越來越受到各國科學家的重視。盡管ASV相關技術發(fā)展迅速,但單個船體魯棒性較差,且不適合大范圍區(qū)域的活動。因此,在實際應用中常常需要多艘ASV相互協(xié)調,共同實現(xiàn)特定的目標。與單個船相比,多ASV通過編隊實現(xiàn)協(xié)同作業(yè)具有效率高、容錯性強以及適應性強等優(yōu)點。本文分別以全驅動ASV與欠驅動ASV為研究對象,結合了圖論相關知識、非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性理論、動態(tài)面控制技術、滑�？刂萍夹g以及指令濾波技術等為基礎對ASV編隊控制展開了深入研究,其主要工作包含以下幾個方面:(1)為解決全驅動ASV在外界干擾下的編隊控制問題,分別提出了無領導者編隊控制策略、領導者-跟隨者編隊控制策略以及多領導者編隊控制策略。首先在前兩種控制策略的設計中設計一個非線性擾動觀測器來在線估計外界擾動;然后以觀測器的輸出為補償項并結合動態(tài)面控制技術以及圖論相關知識設計控制策略來實現(xiàn)全驅動ASV的魯棒編隊控制。此外,針對多領導者魯棒控制問題,首先結合有限時間穩(wěn)定性理論提出了一個具有有限時間收斂特性的擾動觀測器;然后與上兩種控制設計類似,結合包容控制理論知識以及動態(tài)面控制技術設計了一種魯棒包容控制策略,解決了多領導者的編隊控制問題;最后,結合Lyapunov穩(wěn)定性理論證明閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性。(2)為解決欠驅動ASV在外界干擾以及水動力參數(shù)不確定情況下魯棒編隊控制問題,提出了一個基于上下界滑模的魯棒編隊控制策略。該控制策略借鑒“點對點”導航理論將編隊控制問題轉化為位置跟蹤誤差與艏向角跟蹤誤差的協(xié)同一致問題。首先,在運動學回路中利用圖論知識設計了具有飽和特性的虛擬控制律;然后在動力學回路設計中通過設計實際控制輸入使得船的側向速度與艏向角速度能夠跟蹤器相應的虛擬控制律;最后借鑒級聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性理論證明了閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性。此外,本文在上一算法的基礎上有提出了一個基于通信延時的魯棒編隊控制策略。仿真結果證明算法在通信延時與外界干擾的情況下仍然有效。(3)為解決欠驅動ASV在外界干擾以及水動力參數(shù)不確定的情況下能夠在有限時間內實現(xiàn)編隊控制的問題,提出了一個結合圖論以及上下界滑模的有限時間魯棒編隊控制策略。首先利用反步法將控制問題分解為運動學回路設計以及動力學回路設計兩個部分。然后,在運動學回路中利用有限時間理論和圖論相關知識設計了參考縱向速度和側向速度,使得各船位置在有限時間內協(xié)同一致;在運動學回路設計中利用有限時間滑�？刂品▽崿F(xiàn)了實際速度對參考速度的跟蹤;最后仿真證明了控制器對外界干擾具有良好的魯棒性能。(4)為解決欠驅動ASV在外界干擾以及水動力參數(shù)不確定的情況下的多領導者魯棒控制問題,提出了一種結合指令濾波法、包容控制相關知識以及上下界滑模法的魯棒包容控制策略。首先,將運動學模型化為嚴格反饋形式以便利用指令濾波反步法來設計控制策略;然后,結合圖論相關知識并以航向角與航向速度為控制輸入設計了相關虛擬控制律;進一步,將航向角與航向速度的虛擬控制律通過一階指令濾波器來獲得相應虛擬控制律以及其導數(shù)的估計值;而后,以艏向角速度為控制輸入來鎮(zhèn)定航向角以及虛擬控制律的偏差;再引入指令濾波器來在線估計虛擬控制律的同時需要通過引入補償信號來補償非線性項。最后,通過引入上下界滑模法來實現(xiàn)對外界干擾以及模型不確定的抑制。仿真結果證明了所提控制策略的有效性。此外,本文針對魯棒包容控制問題結合動態(tài)面控制以及上下界滑模又提出了一個新的控制策略,該方法克服了上一種方法必須假設速度非零的問題,實現(xiàn)了任意狀態(tài)下的魯棒包容控制。(5)針對基于全狀態(tài)操控的欠驅動非對稱自主水面船編隊控制問題,設計了一種時變編隊控制策略。首先,通過引入了一個全局微分同胚變化與輸入坐標變換將欠驅動自主水面船的編隊控制問題轉化為一個新的非線性系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問題。然后,將該系統(tǒng)分為兩個子系統(tǒng)并應用非線性級聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性理論將新系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問題簡化為其中一個四階子系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問題。最后,針對四階子系統(tǒng)利用時變控制系統(tǒng)理論分兩步設計了光滑時變的反饋控制律,實現(xiàn)了該系統(tǒng)的全局K指數(shù)鎮(zhèn)定。仿真證明了所提控制策略的有效性。
【學位單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：U664.82
【部分圖文】：

圖 1.1 破冰船及其跟隨船F(xiàn)ig.1.1AIcebreaker and Followers圖1.1顯示船舶編隊控制在破冰船領域中的應用。維度高的海面在冬季會結冰，為了便于商船通過，人們通常以破冰船作為引導船來敲碎海面冰層來為商船開路。商船與破冰船距離太近會容易發(fā)生碰撞，太遠被敲碎的海面又會重新結冰。這個問題可以通過設計編隊控制策略使得破冰船與商船保持期望的位置或者距離來解決�？碧酱诒姸酂o人自主船的協(xié)助下可以更經(jīng)濟、更快速的完成海底地圖的繪制工作，如圖1.2。航行補給對于遠洋軍事打擊是必要的，補給船可以為戰(zhàn)艦提供燃料、能源以及人員。在實際航行過程中，補給船需要與戰(zhàn)艦保持一定位置，如圖1.3所示。圖1.4展示的是航母作戰(zhàn)編隊以一定期望隊形完成遠洋任務。圖1.2 海底地圖繪制Fig.1.2 Seabed Geotechnical Mapping多船編隊控制問題涉及眾多領域知識，包括非線性控制理論、船舶運動控制理論以及多智能體相關知識

冰船距離太近會容易發(fā)生碰撞，太遠被敲碎的海面又會重新結冰。這個問題可以通過設計編隊控制策略使得破冰船與商船保持期望的位置或者距離來解決�？碧酱诒姸酂o人自主船的協(xié)助下可以更經(jīng)濟、更快速的完成海底地圖的繪制工作，如圖1.2。航行補給對于遠洋軍事打擊是必要的，補給船可以為戰(zhàn)艦提供燃料、能源以及人員。在實際航行過程中，補給船需要與戰(zhàn)艦保持一定位置，如圖1.3所示。圖1.4展示的是航母作戰(zhàn)編隊以一定期望隊形完成遠洋任務。圖1.2 海底地圖繪制Fig.1.2 Seabed Geotechnical Mapping多船編隊控制問題涉及眾多領域知識，包括非線性控制理論、船舶運動控制理論以及多智能體相關知識，是一門新興研究方向。多船編隊控制不僅考慮單船運動控制涉及到的難點（如強耦合性、非線性且易受環(huán)境干擾，欠驅動船舶的非完整性等），還要考慮多智能體系統(tǒng)控制所遇到的研究問題。因此，如何針對自主水面船運動特性實現(xiàn)多船

編隊控制成為船舶控制領域的最新熱點和難點�？梢钥闯�，關于多船編隊控制的問題研究不僅具有很高的學術研究價值，還有很廣闊的應用空間。圖1.3 海上補給 圖1.4 作戰(zhàn)編隊Fig.1.3 Underway Replenishment Fig.1.4 Assault Ships in Formation1.2 ASV 國內外發(fā)展概述在ASV研究領域，美國麻省理工學院海洋實驗室格蘭特于1993年首先開發(fā)了世界上第一艘欠驅動ASV，并將之稱為ARTEMIS，如圖1.5。該船實際上是以一艘漁船為參照并按照1:17的比例建造出來的，其建造目的是在盡量節(jié)省經(jīng)濟成本的前提下加深對欠驅動ASV的操縱性和控制問題的認識，并為下一步深入研究欠驅動ASV的運動控制規(guī)律提供了寶貴參考建議[1]。圖1.5 ARTEMIS自治水面船F(xiàn)ig.1.5 ARTEMIS autonomous surface vehicle波爾多大學以及波爾多港口管理局于1994年聯(lián)合研制了一款欠驅動ASV，該ASV能夠實現(xiàn)對半徑10海里內的海洋環(huán)境進行監(jiān)控并進行數(shù)據(jù)采集。在對ARTEMIS開發(fā)之后，美國麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology）又研發(fā)出一款名叫ACES的欠驅動ASV。然而

本文編號：2815457