基于水下侦察任务的多AUV编队队形最优控制研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文基于水下侦察任务的多AUV编队队形最优控制研究硕士研究生：马涛指导教师：李娟副教授学科、专业：控制科学与工程论文主审人：徐健教授哈尔滨工程大学2018年3月分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文基于水下侦察任务的多AUV编队队形最优控制研究硕士研究生：马涛指导教师：李娟副教授学位级别：工学硕士学科、专业：控制科学与工程所在单位：自动化学院论文提交日期：2018年1月论文答辩日期：2018年3月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDeg

2、reeofM.EngResearchonFormationControlofMultiAUVFormationBasedonUnderwaterReconnaissanceMissionCandidate:MaTaoSupervisor:AssociateProf.LiLuanAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:ControlScienceandEngineeringDateofSubmission:Jan.2018DateofOralExamination:Mar.2018Unive

3、rsity:HarbinEngineeringUniversity哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者（签字）：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产

4、权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文（□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者（签字）：导师（签字）：日期：年月日年月日摘要自主水下航行器（AutonomousUnderwate

5、rVehicle，AUV）在对海洋资源勘探，水下信息搜集等领域都展现出广泛的应用空间。多AUV在执行海底管线检测、大海域目标搜寻、海底地图的构建等任务时，需要AUV沿期望路径航行的同时保持队形不变或能够根据环境约束进行队形变换。本文针对AUV在完成路径跟踪（直线路径和曲线路径）的基础上对障碍环境下多AUV编队队形优化变换进行了研究，包括以下几个方面：首先，根据AUV的动力学性质和运动学特性，构造AUV六自由度运动学和动力学模型，针对本文设计需求对所建立的模型进行了简化，得到AUV水平面运动模型，并用仿真对其进行了验证。其次，研究了直线路径跟踪下多AUV编队

6、控制问题。利用视线导引法建立单个AUV路径跟踪的误差模型，并利用级联和反馈线性化控制方法设计控制器，使纵向速度误差和艏向角误差渐进稳定。针对多AUV的编队控制，利用基于图论的编队队形控制方法，此方法可确保各AUV间状态信息的交互，通过调整自己的速度设计速度协调控制器，实现对直线路径的编队跟踪控制。再次，对于曲线路径要求速度和位置在平衡点附近邻域内是镇定控制的，但前面设计的控制器仅能保证在平衡点附近位置镇定，所以设计一种利用虚拟参考点的跟踪控制策略，设计AUV运动学和动力学路径跟踪控制器完成对位置和速度的跟踪，然后用李雅普诺夫直接法和输入-状态稳定性定理对系

7、统的稳定性进行了分析，提高了路径跟踪的精度。进行速度协调控制器设计时，利用图论来构造多AUV间的通信拓扑关系，构造出协调误差模型，实现了对曲线路径的编队跟踪控制。最后，考虑到海洋环境的复杂性，研究了存在环境约束时多AUV的协同路径跟踪问题，主要是考虑了时延对多AUV间协同控制的影响，提出一种基于逻辑通信的方法，为每个AUV设计了一个估计模块，用来估计编队中其它AUV的协调状态，并更新状态信息实现多AUV间的协调。同时考虑到多AUV编队在水下执行任务时不可避免会碰到障碍物，针对这一情形，建立了队形优化变换的性能指标，设计了一种在障碍环境下的多AUV编队队形优

8、化变换避障策略，让多AUV在保持编队队形执行任务的过程当中能够充分