水下滑翔机编队协调控制与不确定性研究

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1、天津大学博士学位论文水下滑翔机编队协调控制与不确定性研究ResearchonCoordinateControlandUncertaintyAnalysisforUnderwaterGliderFormation学科专业：机械工程研究生：薛冬阳指导教师：王树新教授天津大学机械工程学院2017年5月万方数据万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任

2、何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日万方数据万方数据中文摘要海洋科学研究与资源开发是国家重大发展战略，海洋装备是实现国家战略的关键技术途径。水下滑翔机作为一种新型的自主观

3、测平台，具有低能耗、长航程、易布放回收、开发运行成本低等优势，能够满足长时序、大范围海洋探测的需求，是当前性价比最高的移动式海洋观测装备之一。多水下滑翔机组成的编队，可以完成单机不能完成的任务，可充分发挥优越的高时空分辨率观测能力，将在海洋环境立体观测网中发挥不可替代的作用。本文针对水下滑翔机编队协调控制以及任务过程中的不确定性问题展开研究。基于多体力学和人工势能场法，实现编队运动协调以及姿态协同控制。讨论和分析编队执行任务过程中的不确定因素对编队轨迹和任务质量的影响，同时基于不确定性分析方法对编队任务设计进行指导。本文的主要研究成果和创新点包括：(1)设计了一种基于

4、多体力学分析方法的多层级运动协调控制结构。针对水下滑翔机自主感知、自主控制、近实时通讯以及运动耦合等工作特点，设计了滑翔机编队任务控制系统。基于多体系统分析方法，采用人工势能场法进行二维轨迹运动规划，同时实现轨迹跟踪和下潜深度控制。采用Huston多体系统分析方法，在滑翔机间构造姿态势能场，对编队姿态协调控制进行研究。通过数值分析和水域试验，证明了该方法的可行性。(2)提出了一种降低能耗为目标的混合驱动滑翔机运动优化控制策略。对滑翔机单纯滑翔模式和混合滑翔模式的能耗进行分析，建立了混合驱动水下滑翔机工作能耗模型。对海流进行估计，并根据滑翔机的运动模式和穿流能力，设计了

5、航向角控制方案。提出了以能耗最小为目标的LEC（LeastEnergyConsumption）优化控制策略。以Petrel-II水下滑翔机为研究案例，进行仿真研究，分析并总结出能耗变化规律。于南海编队试验中，实现了能耗优化控制。(3)提出了一种基于统计学分析法的滑翔机编队不确定性分析方法。基于协调控制模型，通过蒙特卡洛抽样法分别对海流不确定性因素和传感器不确定性因素进行仿真分析。同时，基于傅里叶幅值灵敏度检验扩展法（EFAST）进行多不确定性参数全局灵敏度分析，并基于概率可靠性对编队滑翔机任务布放台数进行了优化设计计算。关键词：水下滑翔机；编队；协调控制；能耗优化；多

6、体系统；不确定性；全局灵敏度I万方数据万方数据ABSTRACTOceanresearchandresourceexploitationisthesignificantnationaldevelopmentstrategyofChina.Underwaterglider,asanewtypeofautonomousunderwatervehicle,hasbecomethemostcompetitiveplatformforlong-term,largescaleobservingtaskforitsadvantagesoflowcost,longendurancean

7、deasyrecycling.Fleetofunderwatergliderscanfurtherexpandtheabilitiesoftheindividualanddevelopitsabilitiesinhighspatio-temporalresolutionobservation,whichwillplayanirreplaceableroleinmulti-dimensionalsurveillancenetworkfortheoceanenvironment.Thisworkfocusonthecoordinatedcontrolof