多AUV编队控制与协同搜索技术研究

摘要

随着科技的发展以及海洋探索的深入，自主式水下机器人（ Autonomous Underwater Vehicle，AUV）在海洋观测、海上救援、雷区搜索、敌情侦察等领域得到广泛应用。然而当面对高时效、大尺度的任务需求时，单个 AUV已经无法满足要求，多 AUV系统凭借其时空分布带来的高效性以及冗余配置带来的可靠性，为复杂海洋任务提供了新的解决思路。 多 AUV系统不单体现在数量上的增加，而且通过彼此之间的协调与合作完成单AUV难以胜任的任务，编队控制作为多AUV协调控制的一个典型问题，是研究其它协作问题的基础。另外，水下通信的不稳定因素给多 AUV协调与合作带来很大的挑战。本文从工程实用的角度出发，针对多 AUV编队控制与协同搜索开展了以下几方面的研究： （1）开展了AUV路径点跟随与路径跟随方法研究。AUV运动控制是多AUV编队控制的基础，针对AUV路径点跟随问题，在制导-控制框架下，基于级联系统理论探讨了纯跟踪制导时 AUV全局渐进收敛至期望路径点的充分条件，结合 S面控制算法设计了AUV路径点跟随控制器，并开展了海上试验。针对AUV路径跟随问题，同样在制导-控制框架下，设计了基于改进视线法的制导律，应用李雅普诺夫理论与级联系统理论对制导-控制系统进行了稳定性分析，并开展了海上试验。 （2）开展了基于路径跟随的多 AUV编队控制方法研究。为每个 AUV引入了一个辅助点，通过驱使辅助点沿路径航行间接实现了 AUV的路径跟随，通过同步各辅助点实现了多 AUV编队控制，基于李雅普诺夫直接法设计了协调编队制导律及同步律，结合级联系统理论对系统进行了稳定性分析，并开展了海上试验。 （3）研究了AUV目标跟踪问题。针对声视觉系统获得的目标信息，采用无迹卡尔曼滤波算法实现了对目标运动状态的估计。根据李雅普诺夫直接法结合平行制导设计了目标跟踪制导律，采用 S面控制算法实现了 AUV对水下目标的跟踪，并开展了水池试验。 （4）开展了基于目标跟踪的多AUV编队控制方法研究。针对水下通信环境的不稳定性，采用极大似然估计对水声通信获得的领队位置、速度信息和前视声呐探测得到的相应信息进行融合，以获得更加稳定准确的领队信息，结合上一部分设计的目标跟踪方法实现了多AUV编队控制，并开展了海上试验。 （5）在编队控制的基础上，从体系结构、通信协议及协同策略的角度对多AUV协同搜索过程中典型的 AUV失效问题开展了研究。针对水声通信的不稳定特性设计了协同消息转发机制，根据通信状态逻辑运算给出了 AUV失效的判断方法，构建了基于消息的协同策略结构，并进行了仿真实验。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2多AUV系统的研究现状

1.3多AUV编队控制与协同搜索研究现状

1.4论文的主要研究内容

第2章 多AUV协调控制试验平台

2.1多AUV试验平台组成

2.2面向协调控制的AUV系统改造方案

2.3多AUV协调控制的通信问题分析

2.4本章小结

第3章 基于路径跟随的多AUV编队控制

3.1 GNC结构与经典制导律

3.2 AUV路径点跟随方法

3.3 AUV路径跟随方法

3.4基于路径跟随的多AUV编队控制

3.5本章小结

第4章 基于目标跟踪的多AUV编队控制

4.1 AUV目标跟踪方法

4.2基于目标跟踪的多AUV编队控制

4.3本章小结

第5章 多AUV协同区域搜索

5.1问题描述

5.2体系结构

5.3通信协议

5.4协同策略

5.5仿真实验研究

5.6本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢