基于水下偵察任務(wù)的多AUV編隊(duì)隊(duì)形最優(yōu)控制研究

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1、分類號(hào)：密級(jí)：UDC：編號(hào)：工學(xué)碩士學(xué)位論文基于水下偵察任務(wù)的多AUV編隊(duì)隊(duì)形最優(yōu)控制研究碩士研究生：馬濤指導(dǎo)教師：李娟副教授學(xué)科、專業(yè)：控制科學(xué)與工程論文主審人：徐健教授哈爾濱工程大學(xué)2018年3月分類號(hào)：密級(jí)：UDC：編號(hào)：工學(xué)碩士學(xué)位論文基于水下偵察任務(wù)的多AUV編隊(duì)隊(duì)形最優(yōu)控制研究碩士研究生：馬濤指導(dǎo)教師：李娟副教授學(xué)位級(jí)別：工學(xué)碩士學(xué)科、專業(yè)：控制科學(xué)與工程所在單位：自動(dòng)化學(xué)院論文提交日期：2018年1月論文答辯日期：2018年3月學(xué)位授予單位：哈爾濱工程大學(xué)ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDeg

2、reeofM.EngResearchonFormationControlofMultiAUVFormationBasedonUnderwaterReconnaissanceMissionCandidate:MaTaoSupervisor:AssociateProf.LiLuanAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:ControlScienceandEngineeringDateofSubmission:Jan.2018DateofOralExamination:Mar.2018Unive

3、rsity:HarbinEngineeringUniversity哈爾濱工程大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：本論文的所有工作，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，由作者本人獨(dú)立完成的。有關(guān)觀點(diǎn)、方法、數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)的引用已在文中指出，并與參考文獻(xiàn)相對(duì)應(yīng)。除文中已注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)公開(kāi)發(fā)表的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。作者（簽字）：日期：年月日哈爾濱工程大學(xué)學(xué)位論文授權(quán)使用聲明本人完全了解學(xué)校保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的有關(guān)規(guī)定，即研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)

4、權(quán)屬于哈爾濱工程大學(xué)。哈爾濱工程大學(xué)有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件。本人允許哈爾濱工程大學(xué)將論文的部分或全部?jī)?nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文，可以公布論文的全部?jī)?nèi)容。同時(shí)本人保證畢業(yè)后結(jié)合學(xué)位論文研究課題再撰寫(xiě)的論文一律注明作者第一署名單位為哈爾濱工程大學(xué)。涉密學(xué)位論文待解密后適用本聲明。本論文（□在授予學(xué)位后即可□在授予學(xué)位12個(gè)月后□解密后）由哈爾濱工程大學(xué)送交有關(guān)部門進(jìn)行保存、匯編等。作者（簽字）：導(dǎo)師（簽字）：日期：年月日年月日摘要自主水下航行器（AutonomousUnderwate

5、rVehicle，AUV）在對(duì)海洋資源勘探，水下信息搜集等領(lǐng)域都展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用空間。多AUV在執(zhí)行海底管線檢測(cè)、大海域目標(biāo)搜尋、海底地圖的構(gòu)建等任務(wù)時(shí)，需要AUV沿期望路徑航行的同時(shí)保持隊(duì)形不變或能夠根據(jù)環(huán)境約束進(jìn)行隊(duì)形變換。本文針對(duì)AUV在完成路徑跟蹤（直線路徑和曲線路徑）的基礎(chǔ)上對(duì)障礙環(huán)境下多AUV編隊(duì)隊(duì)形優(yōu)化變換進(jìn)行了研究，包括以下幾個(gè)方面：首先，根據(jù)AUV的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，構(gòu)造AUV六自由度運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，針對(duì)本文設(shè)計(jì)需求對(duì)所建立的模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，得到AUV水平面運(yùn)動(dòng)模型，并用仿真對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。其次，研究了直線路徑跟蹤下多AUV編隊(duì)

6、控制問(wèn)題。利用視線導(dǎo)引法建立單個(gè)AUV路徑跟蹤的誤差模型，并利用級(jí)聯(lián)和反饋線性化控制方法設(shè)計(jì)控制器，使縱向速度誤差和艏向角誤差漸進(jìn)穩(wěn)定。針對(duì)多AUV的編隊(duì)控制，利用基于圖論的編隊(duì)隊(duì)形控制方法，此方法可確保各AUV間狀態(tài)信息的交互，通過(guò)調(diào)整自己的速度設(shè)計(jì)速度協(xié)調(diào)控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)直線路徑的編隊(duì)跟蹤控制。再次，對(duì)于曲線路徑要求速度和位置在平衡點(diǎn)附近鄰域內(nèi)是鎮(zhèn)定控制的，但前面設(shè)計(jì)的控制器僅能保證在平衡點(diǎn)附近位置鎮(zhèn)定，所以設(shè)計(jì)一種利用虛擬參考點(diǎn)的跟蹤控制策略，設(shè)計(jì)AUV運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)路徑跟蹤控制器完成對(duì)位置和速度的跟蹤，然后用李雅普諾夫直接法和輸入-狀態(tài)穩(wěn)定性定理對(duì)系

7、統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，提高了路徑跟蹤的精度。進(jìn)行速度協(xié)調(diào)控制器設(shè)計(jì)時(shí)，利用圖論來(lái)構(gòu)造多AUV間的通信拓?fù)潢P(guān)系，構(gòu)造出協(xié)調(diào)誤差模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)曲線路徑的編隊(duì)跟蹤控制。最后，考慮到海洋環(huán)境的復(fù)雜性，研究了存在環(huán)境約束時(shí)多AUV的協(xié)同路徑跟蹤問(wèn)題，主要是考慮了時(shí)延對(duì)多AUV間協(xié)同控制的影響，提出一種基于邏輯通信的方法，為每個(gè)AUV設(shè)計(jì)了一個(gè)估計(jì)模塊，用來(lái)估計(jì)編隊(duì)中其它AUV的協(xié)調(diào)狀態(tài)，并更新?tīng)顟B(tài)信息實(shí)現(xiàn)多AUV間的協(xié)調(diào)。同時(shí)考慮到多AUV編隊(duì)在水下執(zhí)行任務(wù)時(shí)不可避免會(huì)碰到障礙物，針對(duì)這一情形，建立了隊(duì)形優(yōu)化變換的性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種在障礙環(huán)境下的多AUV編隊(duì)隊(duì)形優(yōu)

8、化變換避障策略，讓多AUV在保持編隊(duì)隊(duì)形執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程當(dāng)中能夠充分