多AUV協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究.pdf

1、近年來(lái)，自治水下機(jī)器人(AUV)在海洋探測(cè)中表現(xiàn)出來(lái)的巨大優(yōu)越性吸引了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。AUV自帶能源，與水面母船無(wú)物理連接，無(wú)需人為干預(yù)，可以攜帶相應(yīng)設(shè)備對(duì)海洋進(jìn)行自由觀測(cè)，可用于海洋數(shù)據(jù)搜集、海底目標(biāo)探測(cè)以及海底管路跟蹤等廣泛領(lǐng)域。然而，單個(gè)AUV在能源、控制、傳感等方面能力有限，所以只能用于執(zhí)行一些簡(jiǎn)單的、局部的海洋任務(wù)，而復(fù)雜的、大范圍的海洋任務(wù)仍然超出了AUV的能力范圍。為了解決這一問(wèn)題，一方面可以進(jìn)一步開發(fā)智能更高、能力更

2、強(qiáng)、功能更多的AUV，另一方面也可以在現(xiàn)有AUV的基礎(chǔ)上，通過(guò)多個(gè)AUV之間的協(xié)調(diào)合作來(lái)完成單個(gè)AUV無(wú)法或難以勝任的工作。多AUV協(xié)作的核心思想是讓多個(gè)具有簡(jiǎn)單功能的AUV有機(jī)地組成一個(gè)整體，通過(guò)一定的協(xié)作策略，使團(tuán)隊(duì)中的每個(gè)成員各司其職、充分發(fā)揮團(tuán)隊(duì)精神來(lái)相互協(xié)調(diào)與合作，從而完成給定的任務(wù)。相對(duì)單AUV而言，多AUV系統(tǒng)具有空間分布性、功能分布性以及更高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。由于水下環(huán)境的特殊性，與地面和空中的多機(jī)器人系統(tǒng)研究相比，多水下機(jī)

3、器人協(xié)調(diào)控制方面的研究還不成熟，尚處于初級(jí)階段。本文通過(guò)理論分析和數(shù)值仿真的方法，對(duì)多AUV協(xié)調(diào)控制技術(shù)進(jìn)行了研究。主要內(nèi)容包括： ⑴AUV六自由度運(yùn)動(dòng)建模與控制。多AUV協(xié)作系統(tǒng)歸根結(jié)底是由一群?jiǎn)蝹€(gè)AUV組成的，所以要想研究多AUV系統(tǒng)，先要對(duì)這一系統(tǒng)中單個(gè)AUV的性能進(jìn)行全面分析，以保證整個(gè)系統(tǒng)的安全性和可靠性。由于通常基于歐拉角方法的運(yùn)動(dòng)方程在AUV縱傾±90度時(shí)會(huì)產(chǎn)生奇異點(diǎn)，所以本文基于四元數(shù)法來(lái)建立AUV六自由度運(yùn)動(dòng)方

4、程，以避免奇異點(diǎn)的發(fā)生，使AUV能夠以任意縱傾角進(jìn)行全自由度仿真； ⑵多AUV協(xié)調(diào)路徑規(guī)劃。AUV在執(zhí)行任務(wù)的時(shí)候，往往是沿著事先規(guī)劃好的路徑前進(jìn)的，這些路徑由一個(gè)個(gè)相鄰的、已知的路徑點(diǎn)連接而成。由于能源是制約AUV作業(yè)時(shí)間的重要因素，所以我們希望規(guī)劃出的路徑是最優(yōu)的。在路徑點(diǎn)數(shù)量較少的情況下，通過(guò)排列組合或者枚舉法很容易找出AUV的最優(yōu)路徑；但是當(dāng)路徑點(diǎn)較多時(shí)，那么無(wú)論采用人工排列組合方法或是計(jì)算機(jī)枚舉法其計(jì)算量都非常大，所以

5、本文采用善于處理組合優(yōu)化問(wèn)題的智能算法(如遺傳算法和蟻群算法)來(lái)對(duì)路徑進(jìn)行優(yōu)化，確保找到最佳路徑。算法分為三部分：1)路徑點(diǎn)分配：將路徑點(diǎn)分配給各個(gè)AUV；2)路徑優(yōu)化：以啟發(fā)式算法為工具，結(jié)合旅行商問(wèn)題對(duì)路徑進(jìn)行優(yōu)化，找出最短路徑；3)路徑校核：檢驗(yàn)是否存在靜態(tài)碰撞或動(dòng)態(tài)碰撞的危險(xiǎn)； ⑶多AUV隊(duì)形控制算法。一群AUV在抵達(dá)目的地的過(guò)程中，保持一定的隊(duì)形很有必要，適當(dāng)?shù)年?duì)形可以提高多AUV系統(tǒng)的安全和作業(yè)效率。傳統(tǒng)的領(lǐng)航者.跟

6、隨者方法對(duì)領(lǐng)航者過(guò)分依賴，所以一旦領(lǐng)航者發(fā)生故障，隊(duì)形就會(huì)失去控制。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了基于模糊勢(shì)場(chǎng)的虛擬領(lǐng)航者隊(duì)形控制方法，由于該方法中的領(lǐng)航者是虛擬的，于是不存在領(lǐng)航者發(fā)生故障的情況，彌補(bǔ)了“領(lǐng)航者-跟隨者”方法的不足。虛擬領(lǐng)航者隊(duì)形控制方法中AUV的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以通過(guò)定義人工勢(shì)場(chǎng)來(lái)進(jìn)行控制，由于通常采用勢(shì)函數(shù)所定義的人工勢(shì)場(chǎng)其勢(shì)場(chǎng)力會(huì)發(fā)生突變從而會(huì)導(dǎo)致規(guī)劃出的路徑軌跡并不光滑，所以本文引入模糊邏輯來(lái)建立模糊人工勢(shì)場(chǎng)，通過(guò)隸屬度函數(shù)和模

7、糊規(guī)則來(lái)構(gòu)造勢(shì)場(chǎng)中距離與勢(shì)場(chǎng)力之間連續(xù)的映射關(guān)系； ⑷多AUV覆蓋控制算法。假定最初聚集在一起、裝備有測(cè)量和通信傳感器的一群AUV要對(duì)某一海域進(jìn)行探測(cè)，為了使探測(cè)效果最優(yōu)，這群AUV應(yīng)以某種特定的空間分布(密度函數(shù))布放在這塊區(qū)域。本文通過(guò)一定的控制算法，使描述覆蓋控制性能指標(biāo)的位置優(yōu)化函數(shù)逐漸趨于收斂，最終使得一群AUV在被考察海域形成指定密度函數(shù)(如均勻分布、圓形分布，高斯分布等)的質(zhì)心Voronoi分布(簡(jiǎn)稱CVT分布)來(lái)