自主式水下航行器的點鎮(zhèn)定及編隊控制研究.pdf

1、海洋資源對于經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步來說至關(guān)重要，自主式水下航行器(Autonomous underwater vehicles，AUVs)是海洋探測、開發(fā)以及完成各類水下作業(yè)的重要工具。AUV的動態(tài)特性是一個比較復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，其驅(qū)動行駛很不靈活，行駛的軌跡與期望路徑相比往往不盡人意，且水下環(huán)境惡劣系統(tǒng)擾動源多，擾動力大，使得研究如何實現(xiàn)AUV的點鎮(zhèn)定具有重要意義。隨著海洋科學(xué)考察和海洋開發(fā)需求的增加，AUV應(yīng)用領(lǐng)域的日趨擴大，人們開

2、始關(guān)注利用多個AUV的協(xié)同作業(yè)，共同完成復(fù)雜任務(wù)的研究。多AUV編隊問題是多AUV協(xié)調(diào)合作中的一個典型性的問題，所謂的編隊控制是指多個機器人在到達(dá)目的地的過程中，要求在適應(yīng)環(huán)境約束的條件下保持某種隊形的控制技術(shù)。目前多AUV編隊控制技術(shù)的研究處于起步階段，還沒有形成有關(guān)多AUV編隊控制的一般研究方法。本研究主要內(nèi)容包括：
　　 ⑴研究低速運行情況下AUV運動的數(shù)學(xué)模型以及海浪力模型。通過對Fossen六自由度模型的簡化，得到了線

3、性部分與非線性部分分離的四自由度的AUV的數(shù)學(xué)模型和受外部擾動以及時滯作用下的AUV控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。再依據(jù)海浪力學(xué)理論，給出能夠描述在AUV運行中所受到的海浪力的數(shù)學(xué)模型。
　　 ⑵研究AUV非線性時滯系統(tǒng)的最優(yōu)無靜差點鎮(zhèn)定問題。首先通過嵌入內(nèi)模，構(gòu)造了無靜差擾動補償器，并由其與原系統(tǒng)共同構(gòu)成一個增廣系統(tǒng)，然后研究由原系統(tǒng)與無靜差擾動補償器構(gòu)成的增廣系統(tǒng)的最優(yōu)點鎮(zhèn)定問題。由極大值原理，得到了無擾動作用下的增廣系統(tǒng)的兩點邊值問

4、題。通過構(gòu)造一個迭代序列將非線性系統(tǒng)的最優(yōu)點鎮(zhèn)定問題轉(zhuǎn)化為求解非線性兩點邊值序列問題，證明了該迭代方程序列的解一致收斂于原系統(tǒng)的最優(yōu)控制律。在每次迭代過程中，最優(yōu)控制律的線性反饋部分是通過求解一個Riccati方程精確得到的，非線性補償項則是線性伴隨向量方程迭代序列的極限值。仿真實例驗證了不同擾動情況下，所設(shè)計的無靜差控制律的有效性。
　　 ⑶研究AUV非線性系統(tǒng)的點鎮(zhèn)定問題，并提出一種線性分解控制策略。首先建立了AUV的三維空

5、間運動模型，其次將該AUV系統(tǒng)的5個狀態(tài)變量按順序分解為3組，并按分組順序?qū)⒖刂七^程分為3個階段完成控制任務(wù)，最后給出了每個階段的系統(tǒng)控制律。通過對AUV三維空間的點鎮(zhèn)定問題進行仿真，驗證了該線性分解控制策略的有效性，且其能夠在小能耗的情況下完成AUV的定點行駛。
　　 ⑷研究帶有控制和狀態(tài)時滯的AUV最優(yōu)前饋反饋鎮(zhèn)定問題。利用狀態(tài)變換，把帶有控制時滯的AUV動態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成沒有控制時滯的系統(tǒng)，并設(shè)計了帶有時滯記憶的最優(yōu)反饋控制律

6、，同時通過嵌入擾動補償器，保證了AUV控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據(jù)最優(yōu)控制理論，得到既含有時滯項又含有超前項的兩點邊值問題。利用逐次逼近方法將問題轉(zhuǎn)化為求解無時滯最優(yōu)反饋項和最優(yōu)時滯補償項的解耦形式，無時滯最優(yōu)反饋項由求解一個Riccati方程直接得到，最優(yōu)時滯補償項由迭代求解伴隨向量序列近似求得。最后給出算法，并以仿真算例驗證了該算法在不同時滯下的有效性，算法僅對向量方程進行迭代，收斂性好，時空需求低。
　　 ⑸研究基于輸出反饋控制

7、的多AUV編隊控制問題。首先，建立了一個編隊跟蹤控制模型。通過提出一個相似組合變換，將多AUV的編隊控制問題轉(zhuǎn)化成了整體系統(tǒng)的最優(yōu)跟蹤控制問題。針對由極大值原理導(dǎo)出的非線性兩點邊值問題，采用逐次逼近方法分別構(gòu)造了已知初始條件和終端條件的兩個微分方程迭代序列，對于無限時域的情形，給出并證明了最優(yōu)跟蹤控制律的存在性和唯一性。仿真算例驗證了編隊控制律的有效性和高效性。
　　 ⑹研究受外部擾動影響下多AUV的編隊控制問題。外部擾動的存在