多水下機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究.pdf

1、近幾十年來,智能水下機(jī)器人(Autonomous Underwater Vehicle/AUV)技術(shù)取得了長足的發(fā)展。其在海洋環(huán)境數(shù)據(jù)采集、區(qū)域搜索、海底目標(biāo)探測等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著作業(yè)任務(wù)復(fù)雜度的增加,單個(gè)水下機(jī)器人有時(shí)無法滿足工作的需要。多水下機(jī)器人系統(tǒng)(Multiple Autonomous Underwater Vehicles/MAUV)憑借其空間分布性、任務(wù)執(zhí)行中所體現(xiàn)出來的高效性、魯棒性以及靈活性方面都具有單

2、個(gè)水下機(jī)器人無法比擬的優(yōu)勢。關(guān)于多水下機(jī)器人系統(tǒng)的理論與應(yīng)用研究在近十幾年間逐漸引起國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)的重視。
　　 本文針對(duì)多水下機(jī)器人協(xié)同作業(yè)研究中需要解決的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究:
　　 1.開展了模塊化、分布式多水下機(jī)器人協(xié)凋控制軟件體系結(jié)構(gòu)研究。在所建立體系結(jié)構(gòu)中,每個(gè)AUV都被抽象為一組功能相對(duì)獨(dú)立、信息相互依賴的功能模塊?；诰W(wǎng)絡(luò)協(xié)議的信息傳遞機(jī)制為單個(gè)AUV內(nèi)部功能模塊之間的信息交互提供了穩(wěn)定高效的支持,同時(shí)

3、為功能模塊的分布式運(yùn)行提供了基礎(chǔ)的保證。系統(tǒng)內(nèi)水下機(jī)器人之間的信息交互手段被抽象為相對(duì)獨(dú)立的通訊模塊,保證了AUV間信息交互格式的統(tǒng)一與規(guī)范。
　　 2.開展了基于行為的多水下機(jī)器人協(xié)調(diào)控制方法研究。針對(duì)水下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變的特點(diǎn),從提高水下機(jī)器人自主性、自適應(yīng)能力的需求出發(fā),開展了基于行為的水下機(jī)器人智能控制方法研究。多水下機(jī)器人協(xié)同作業(yè)過程中的運(yùn)動(dòng)控制指令由一系列的行為(包括協(xié)作行為)共同作用來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于行為融合(行為選擇)

4、問題論文中采用了基于多目標(biāo)值優(yōu)化的方法進(jìn)行研究。論文中所使用的IvP計(jì)算模型通過對(duì)行為決策空間的離散化保證了行為融合算法的實(shí)時(shí)性,以及行為融合結(jié)果的優(yōu)化性。
　　 3.考慮到行為融合結(jié)果跳變對(duì)AUV運(yùn)動(dòng)控制穩(wěn)定性可能產(chǎn)生影響,論文結(jié)合非線性控制理論和混合系統(tǒng)理論的相關(guān)方法開展了基于行為的AUV運(yùn)動(dòng)控制穩(wěn)定性研究。進(jìn)行了基于指令濾波反演設(shè)計(jì)方法的AUV運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì),開展了基于多Lyapunov函數(shù)的行為融合輸出跳變條件下的AUV

5、運(yùn)動(dòng)控制穩(wěn)定性分析,得到了行為輸出跳躍條件下AUV運(yùn)動(dòng)控制穩(wěn)定的條件。
　　 4.開展了基于市場拍賣機(jī)制的多水下機(jī)器人任務(wù)分配方法研究。針對(duì)單任務(wù)拍賣模型容易陷入局部極大值的問題,通過考慮任務(wù)間的“協(xié)同”作用,提出了基于“聚類”模型的多水下機(jī)器人任務(wù)分配算法,提高了多水下機(jī)器人任務(wù)分配的優(yōu)化程度。通過仿真算例驗(yàn)證了方法的有效性。
　　 5.針對(duì)多水下機(jī)器人協(xié)調(diào)編隊(duì)控制問題,開展了多水下機(jī)器人協(xié)同編隊(duì)控制方法研究。通過對(duì)多

6、AUV協(xié)同編隊(duì)運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行簡化,利用圖論的方法描述系統(tǒng)中AUV之間的信息交互拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),基于多智能體一致性理論開展了不同通訊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下分布式控制律的設(shè)計(jì),使得AUV利用局部感知信息進(jìn)行運(yùn)動(dòng)指令解算最終驅(qū)動(dòng)其艏向趨于一致。通過建立相應(yīng)的Lyapunov函數(shù)證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　 6.建立了多水下機(jī)器人協(xié)調(diào)控制仿真環(huán)境,針對(duì)未來多水下機(jī)器人系統(tǒng)的典型應(yīng)用設(shè)計(jì)了不同的試驗(yàn)用例。通過仿真試驗(yàn)初步驗(yàn)證了本論文相關(guān)研究方法的可行性、有效性