分布式多水下無人航行器搜捕任務(wù)協(xié)調(diào)方法研究.pdf

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(dǎo)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(lǐng)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(wù)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(diào)方法也為控制系統(tǒng)的設(shè)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(wù)過程中包含的航行就位、區(qū)域搜索和目標(biāo)圍捕三個子任務(wù)，研究分布式多航行器系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制與決策方法。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、朋w系結(jié)構(gòu)作為多智能體系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容，決定了協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基本框架。因此，本文首先構(gòu)建了多航行器系統(tǒng)的分布式體系結(jié)構(gòu)，以通信層作為系統(tǒng)間協(xié)作的物理基礎(chǔ)，利用圖論理論建立了通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，

3、并介紹了分布式協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的一般形式?？紤]到航行器自身復(fù)雜的動力學(xué)特性，基于微分流形與李導(dǎo)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(xué)模型。分布式體系結(jié)構(gòu)與線性化模型是本文解決多航行器協(xié)調(diào)控制與決策問題的最基本要素。
　　⑵針對多航行器系統(tǒng)的航行就位任務(wù)，通過分析任務(wù)需求，本文將其數(shù)學(xué)抽象為多航行器協(xié)調(diào)編隊控制問題。對于通信系統(tǒng)可能帶來的離散特性，結(jié)合基于離散信息的多航行器協(xié)調(diào)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(diào)控制器的設(shè)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(guān)系。進而，通過引入隨機矩陣?yán)碚摵蛥^(qū)間矩陣?yán)碚摰南嚓P(guān)結(jié)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(jié)果，證明了所設(shè)計的協(xié)調(diào)控制策略可滿足就位航行任務(wù)的系統(tǒng)需求。
　?、轻槍Χ嗪叫衅魉阉魅蝿?wù)中的覆蓋搜索問題，提出了一種基

5、于生物競爭機制的任務(wù)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(wù)執(zhí)行能力的差異，通過模擬自然界中生物對于領(lǐng)地、資源的競爭過程建立了多航行器系統(tǒng)任務(wù)負(fù)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(quán)的覆蓋搜索任務(wù)的均勻分配。
　?、柔槍Χ嗪叫衅魉阉魅蝿?wù)中的定點探測問題，考慮到不同任務(wù)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(chǔ)上，根據(jù)博弈論中的帕累托最優(yōu)的定義，提出了面向任務(wù)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(wù)協(xié)商方法，解決了基于帕累托一致性的定點探測任務(wù)分配問題。
　　⑸針對多航行器系統(tǒng)的目標(biāo)圍捕任務(wù)，根據(jù)圍捕目標(biāo)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(diào)目標(biāo)跟蹤問題與追逐-逃跑問題。對于協(xié)調(diào)目標(biāo)跟蹤問題，在未知目標(biāo)加速度信息的條件下，首先提出了目標(biāo)

7、狀態(tài)不存在延遲時的多航行器協(xié)調(diào)自適應(yīng)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(biāo)跟蹤和加速度估計的收斂性。其次，進一步研究了在目標(biāo)狀態(tài)存在延遲條件下的協(xié)調(diào)控制器設(shè)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(biāo)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