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

1、水下無(wú)人航行器（包括Autonomous Underwater Vehicle/AUV，Unmanned Undertwater Vehicle/UUV等），是指一類(lèi)具有自主控制、自主決策與自主導(dǎo)航能力的水下機(jī)器人系統(tǒng)，下文簡(jiǎn)稱(chēng)航行器。作為海洋探測(cè)、海洋開(kāi)發(fā)與海洋對(duì)抗的重要工具，是目前機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。相比于單一航行器，多水下無(wú)人航行器系統(tǒng)（多航行器系統(tǒng)）在時(shí)間和空間上的分布式特征進(jìn)一步提高了任務(wù)的執(zhí)行效率并增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性。

2、然而，分布式多航行器系統(tǒng)中個(gè)體間的協(xié)調(diào)方法也為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)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(guò)程中包含的航行就位、區(qū)域搜索和目標(biāo)圍捕三個(gè)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(dòng)力學(xué)特性，基于微分流形與李導(dǎo)數(shù)，本文通過(guò)反饋線(xiàn)性化的方法得到了系統(tǒng)的二階積分動(dòng)力學(xué)模型。分布式體系結(jié)構(gòu)與線(xiàn)性化模型是本文解決多航行器協(xié)調(diào)控制與決策問(wèn)題的最基本要素。
　?、漆槍?duì)多航行器系統(tǒng)的航行就位任務(wù)，通過(guò)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(duì)控制問(wèn)題。對(duì)于通信系統(tǒng)可能帶來(lái)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(shí)現(xiàn)編隊(duì)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(jì)方法。首先，建立了編隊(duì)控制問(wèn)題與一致性問(wèn)題在固定隊(duì)形條件下的等效關(guān)系。進(jìn)而，通過(guò)引入隨機(jī)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(wú)通信延遲、通信延遲有界和通信延遲無(wú)界條件下，編隊(duì)控制系統(tǒng)可到達(dá)一致性時(shí)控制器所需要滿(mǎn)足的充分條件。通過(guò)二維水面航行仿真實(shí)驗(yàn)和三維水中航行仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明了所設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)控制策略可滿(mǎn)足就位航行任務(wù)的系統(tǒng)需求。
　　⑶針對(duì)多航行器搜索任務(wù)中的覆蓋搜索問(wèn)題，提出了一種基

5、于生物競(jìng)爭(zhēng)機(jī)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(shí)考慮到航行器搜索任務(wù)執(zhí)行能力的差異，通過(guò)模擬自然界中生物對(duì)于領(lǐng)地、資源的競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程建立了多航行器系統(tǒng)任務(wù)負(fù)載的動(dòng)態(tài)模型，并利用一致性理論證明了該模型可實(shí)現(xiàn)威脅概率加權(quán)的覆蓋搜索任務(wù)的均勻分配。
　?、柔槍?duì)多航行器搜索任務(wù)中的定點(diǎn)探測(cè)問(wèn)題，考慮到不同任務(wù)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)的區(qū)別，首先建立了優(yōu)先級(jí)旅行商問(wèn)題（Priority TSP）的評(píng)價(jià)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(guò)K-means聚類(lèi)，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(diǎn)探測(cè)任務(wù)分配問(wèn)題。
　?、舍槍?duì)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(duì)多航行器系統(tǒng)感知情況和采用的控制策略，將圍捕問(wèn)題分為了協(xié)調(diào)目標(biāo)跟蹤問(wèn)題與追逐-逃跑問(wèn)題。對(duì)于協(xié)調(diào)目標(biāo)跟蹤問(wèn)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(shí)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(xiàn)性矩陣不等式條件，保證了目標(biāo)跟蹤和加速度估計(jì)的收斂性。其次，進(jìn)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(jì)方法，通過(guò)將多航行器系統(tǒng)分為主動(dòng)跟蹤系統(tǒng)和被動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，分別提出了主動(dòng)跟蹤航行器與被動(dòng)跟蹤航行器的控制策略，通過(guò)Lyapunov- Krasovskii函數(shù)，得到了目標(biāo)跟蹤誤差有界的充分條件。對(duì)于追逐-逃跑問(wèn)題，基于微分博弈理論和納什均衡策略，解決了多航行器系