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文檔簡介
1、水下無人航行器(包括Autonomous Underwater Vehicle/AUV,Unmanned Undertwater Vehicle/UUV等),是指一類具有自主控制、自主決策與自主導航能力的水下機器人系統(tǒng),下文簡稱航行器。作為海洋探測、海洋開發(fā)與海洋對抗的重要工具,是目前機器人領域的研究熱點之一。相比于單一航行器,多水下無人航行器系統(tǒng)(多航行器系統(tǒng))在時間和空間上的分布式特征進一步提高了任務的執(zhí)行效率并增強了系統(tǒng)的魯棒性。
2、然而,分布式多航行器系統(tǒng)中個體間的協(xié)調方法也為控制系統(tǒng)的設計帶來了諸多難題。因此,本課題將面向多航行器執(zhí)行搜捕任務過程中包含的航行就位、區(qū)域搜索和目標圍捕三個子任務,研究分布式多航行器系統(tǒng)的協(xié)調控制與決策方法。本研究主要內容包括:
⑴體系結構作為多智能體系統(tǒng)研究的重要內容,決定了協(xié)調控制系統(tǒng)的基本框架。因此,本文首先構建了多航行器系統(tǒng)的分布式體系結構,以通信層作為系統(tǒng)間協(xié)作的物理基礎,利用圖論理論建立了通信拓撲結構的數(shù)學模型,
3、并介紹了分布式協(xié)調控制系統(tǒng)的一般形式??紤]到航行器自身復雜的動力學特性,基于微分流形與李導數(shù),本文通過反饋線性化的方法得到了系統(tǒng)的二階積分動力學模型。分布式體系結構與線性化模型是本文解決多航行器協(xié)調控制與決策問題的最基本要素。
?、漆槍Χ嗪叫衅飨到y(tǒng)的航行就位任務,通過分析任務需求,本文將其數(shù)學抽象為多航行器協(xié)調編隊控制問題。對于通信系統(tǒng)可能帶來的離散特性,結合基于離散信息的多航行器協(xié)調控制系統(tǒng),為實現(xiàn)編隊控制系統(tǒng)的收斂性,研究了
4、不同通信條件下分布式協(xié)調控制器的設計方法。首先,建立了編隊控制問題與一致性問題在固定隊形條件下的等效關系。進而,通過引入隨機矩陣理論和區(qū)間矩陣理論的相關結論,分別得到了無通信延遲、通信延遲有界和通信延遲無界條件下,編隊控制系統(tǒng)可到達一致性時控制器所需要滿足的充分條件。通過二維水面航行仿真實驗和三維水中航行仿真實驗結果,證明了所設計的協(xié)調控制策略可滿足就位航行任務的系統(tǒng)需求。
?、轻槍Χ嗪叫衅魉阉魅蝿罩械母采w搜索問題,提出了一種基
5、于生物競爭機制的任務區(qū)域分配方法。利用建立的威脅概率地圖與Voronoi分區(qū)原理,同時考慮到航行器搜索任務執(zhí)行能力的差異,通過模擬自然界中生物對于領地、資源的競爭過程建立了多航行器系統(tǒng)任務負載的動態(tài)模型,并利用一致性理論證明了該模型可實現(xiàn)威脅概率加權的覆蓋搜索任務的均勻分配。
?、柔槍Χ嗪叫衅魉阉魅蝿罩械亩c探測問題,考慮到不同任務點優(yōu)先級的區(qū)別,首先建立了優(yōu)先級旅行商問題(Priority TSP)的評價函數(shù),利用模擬退火算法
6、得到了單一航行器的路徑優(yōu)化方法。在此基礎上,根據博弈論中的帕累托最優(yōu)的定義,提出了面向任務分配的帕累托一致性的概念,通過K-means聚類,提出了多航行器系統(tǒng)的分布式任務協(xié)商方法,解決了基于帕累托一致性的定點探測任務分配問題。
⑸針對多航行器系統(tǒng)的目標圍捕任務,根據圍捕目標對多航行器系統(tǒng)感知情況和采用的控制策略,將圍捕問題分為了協(xié)調目標跟蹤問題與追逐-逃跑問題。對于協(xié)調目標跟蹤問題,在未知目標加速度信息的條件下,首先提出了目標
7、狀態(tài)不存在延遲時的多航行器協(xié)調自適應控制方法,得到了跟蹤系統(tǒng)穩(wěn)定的線性矩陣不等式條件,保證了目標跟蹤和加速度估計的收斂性。其次,進一步研究了在目標狀態(tài)存在延遲條件下的協(xié)調控制器設計方法,通過將多航行器系統(tǒng)分為主動跟蹤系統(tǒng)和被動跟蹤系統(tǒng),分別提出了主動跟蹤航行器與被動跟蹤航行器的控制策略,通過Lyapunov- Krasovskii函數(shù),得到了目標跟蹤誤差有界的充分條件。對于追逐-逃跑問題,基于微分博弈理論和納什均衡策略,解決了多航行器系
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