自主水面船编队控制研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：工学博士学位论文自主水面船编队控制研究博士研究生：马俊达指导教师：朱齐丹教授学科、专业：控制科学与工程哈尔滨工程大学2018年4月分类号：密级：UDC：编号：工学博士学位论文自主水面船编队控制研究博士研究生：马俊达指导教师：朱齐丹教授学位级别：工学博士学科、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4月论文答辩日期：2018年6月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDegreeofD.EngR

2、esearchonFormationControlofAutonomousSurfaceVehiclesCandidate:JundaMaSupervisor:Prof.QidanZhuAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpecialty:ControlScienceandEngineeringDateofSubmission:April2018DateofOralExamination:June2018University:HarbinEngineeringU

3、niversity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权属于

4、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：年月日年月日自主水面船编队控制研究

5、摘要近些年来，海洋资源正日益得到人们的重视，为此各国科学家都加大了对海洋装备的研究，力求在海洋资源勘探与开发领域中占据制高点。在众多的海洋装备中，自主水面船（autonomoussurfacevehicle，ASV）由于其具有活动范围广、成本低、自主能力强等优点正越来越受到各国科学家的重视。尽管ASV相关技术发展迅速，但单个船体鲁棒性较差，且不适合大范围区域的活动。因此，在实际应用中常常需要多艘ASV相互协调，共同实现特定的目标。与单个船相比，多ASV通过编队实现协同作业具有效率高、容错性强以及适应性强等优点。本文

6、分别以全驱动ASV与欠驱动ASV为研究对象，结合了图论相关知识、非线性系统稳定性理论、动态面控制技术、滑模控制技术以及指令滤波技术等为基础对ASV编队控制展开了深入研究，其主要工作包含以下几个方面：（1）为解决全驱动ASV在外界干扰下的编队控制问题，分别提出了无领导者编队控制策略、领导者-跟随者编队控制策略以及多领导者编队控制策略。首先在前两种控制策略的设计中设计一个非线性扰动观测器来在线估计外界扰动；然后以观测器的输出为补偿项并结合动态面控制技术以及图论相关知识设计控制策略来实现全驱动ASV的鲁棒编队控制。此外，

7、针对多领导者鲁棒控制问题，首先结合有限时间稳定性理论提出了一个具有有限时间收敛特性的扰动观测器；然后与上两种控制设计类似，结合包容控制理论知识以及动态面控制技术设计了一种鲁棒包容控制策略，解决了多领导者的编队控制问题；最后，结合Lyapunov稳定性理论证明闭环系统稳定性。（2）为解决欠驱动ASV在外界干扰以及水动力参数不确定情况下鲁棒编队控制问题，提出了一个基于上下界滑模的鲁棒编队控制策略。该控制策略借鉴“点对点”导航理论将编队控制问题转化为位置跟踪误差与艏向角跟踪误差的协同一致问题。首先，在运动学回路中利用图论

8、知识设计了具有饱和特性的虚拟控制律；然后在动力学回路设计中通过设计实际控制输入使得船的侧向速度与艏向角速度能够跟踪器相应的虚拟控制律；最后借鉴级联系统稳定性理论证明了闭环系统稳定性。此外，本文在上一算法的基础上有提出了一个基于通信延时的鲁棒编队控制策略。仿真结果证明算法在通信延时与外界干扰的情况下仍然有效。（3）为解决欠驱动ASV在外界干扰以及水动力参数不确