多约束条件下的AUV编队协同任务规划方法研究

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1、学校代码10699分类号TP391密级学号2010100297题目多约束条件下的AUV编队协同任务规划方法研究作者郝莉莉学科、专业兵器科学与技术指导教师顾浩申请学位日期2017年1月西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：多约束条件下的AUV编队协同任务规划方法研究作者：郝莉莉学科专业：兵器科学与技术指导教师：顾浩2017年1月Title:CooperativeMissionPlanningforAUVFormationwithMulti-ConstraintsByHaoLi-liUndertheSupervisionofProfessorGuHaoADissertationSu

2、bmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofArmamentScienceandTechnologyXi’anP.R.ChinaJanuary,2017摘要摘要水下自主航行器（AutonomousUnderwaterVehicle，AUV）群体系统运用面临资源多样与有限、编队组织约束、对抗、探测信息模糊和通讯时延等多约束条件作用。以往的该类问题研究中存在AUV功能单一和组织结构固化等导致AUV之间协作能力弱、组织对动态环境适应

3、性差、缺乏支持量化计算的协同形式化描述方法等不足。本文以多任务、多约束和多目标的异构AUV编队协同执行任务为背景，在综合分析国内外研究现状的基础上，重点研究了任务预规划、动态规划、形式化建模三个关键技术，为提高编队协作效能和智能化程度奠定了理论基础。主要的研究内容及创新点如下：（1）在分析任务规划系统中AUV、资源和任务耦合关系的基础上，对任务特征提取、AUV功能抽象以及编队协作能力评估，从资源的角度提出并构建了个体和协同能力匹配模型；针对引入“信任度、资源消耗最小”等因素带来的“能者多劳”导致资源的匮乏、“能者丢失”，以及负载均衡带来的等待时间过长等不足，提出了一种资源约束条件下基

4、于不公平度的资源均衡策略；鉴于目前任务规划模型尚未考虑编队结构对协作性能的影响，结合AUV的资源隶属度和水下通信约束等建立了领航—跟随编队组织能力评估指标；综合考虑环境、AUV性能和资源约束，以整体效能最大化为目标，建立AUV编队协同任务规划数学模型，并通过优化算法实现了任务的分配、资源的最优配置以及编队结构的生成。仿真结果表明：该方法满足了远航程、多任务的协作需求，有效克服了组织冗余带来的协作能力弱的缺陷。（2）通过分析复杂环境的类型、来源和影响，构建AUV、资源、任务的健康状态等动态参数随时间变化的离散事件或连续时间函数；为解决复杂环境、AUV、资源、组织以及任务之间的紧耦合问题

5、，提出一种复杂环境条件下的分层自适应动态规划策略，给出了编队内资源层、编队间微协商和组织重构三个层面之间的切换条件；为保证求解质量的同时降低通信量和计算复杂度，在合同网协商架构的基础上，对招标范围、招标任务选择方法和中标策略等进行了改进。仿真结果表明：该方法能够较好地平衡动态任务执行时编队结构稳定和敏捷动态适应的需求。（3）由于传感器量测噪声导致获取的目标信息不完备与不确定，使得AUV编队任务规划系统呈现离散性、时延性、分层式、信息模糊和不一致性等特点，提出了一种不确定信息条件下的基于加权直觉模糊时间着色Petri网（Weightedintuitionisticfuzzytimedc

6、oloredpetrinet，WIFTCPN）的形式化建模、仿真和验证一体化方法，给出模糊时间、时间延迟以及直觉模糊推理规则等与WIFTCPN之间的映射关系，利用CPNTools工具建立不一致信息下的推理决策模型，并通过仿真分析检验了模型的正确性、活性和安全性。（4）为进一步综合分析上述方法的可行性，构建了基于HLA/RTI的分布式AUV编I西北工业大学博士学位论文队协同任务规划仿真系统。给出了系统结构和功能框架的构建方案，实现了仿真系统软、硬件设计；为支撑典型应用的演示验证，研究了信息融合、协同搜索和编队行为控制等编队协同仿真应用支撑技术，设计了含方位不变（ConstantBear

7、ing，简称CB）导引律的基于虚拟领航的欠驱动AUV编队跟踪控制方法；完成了仿真软件的开发和应用。仿真结果表明：该仿真平台运行稳定，适用于各种约束条件下的AUV编队协同任务规划方法检验，且形象地展现了多AUV编队协作的动态过程。关键词：任务规划，AUV编队，形式化建模，分层自适应，资源均衡，WIFTCPNIIAbstractAbstractAutonomousUnderwaterVehicle(AUV)groupsystemworkswithmulti-c