个体行为与目标驱动结合的多UUV编队方法研究

摘要

利用无人水下航行器（unmanned underwater vehicle，简称UUV）进行水下目标跟踪作业是 UUV自主性能和智能性能不断发展提高的重要体现。而多 UUV编队技术作为UUV发展的重要分支之一，其在海洋工程应用中发挥着越来越显著的作用。本论文研究的内容是在UUV个体行为与目标驱动结合的前提下，实现其编队控制。目标驱动可以理解为：UUV搜寻并探测到水中目标后，通过估计其运动状态，最终实现以动目标为几何中心点的多UUV编队结构跟随动目标运动。从而实现在海洋环境中多角度、全方位地采集目标信息。论文的主要研究内容如下所述：
　　1.在分层式UUV个体体系结构的基础上，提出面向目标驱动这一特殊应用的分散式编队体系结构。这种体系结构的功能是使 UUV内嵌的目标跟踪控制器与UUV编队结构控制器相互结合、相互影响，最终实现协作动目标跟踪的使命要求。
　　2.一种良好的目标运动估计技术是UUV实现目标跟踪控制的重要前提。利用变维卡尔曼滤波的方法进行各UUV个体对目标状态估计处理。在考虑UUV最大速度限制、与目标的最小距离限制的前提下，设计一种通过优化各UUV所处位置，降低目标位置估计的协方差矩阵，从而实现目标运动状态估计优化的算法。
　　3.针对目标驱动条件下的特殊应用，建立有效的控制目标模型。在UUV水平面数学模型和控制目标模型的基础上，利用反步法分别从运动学角度和动力学角度设计并改进编队控制器。此编队控制器的控制目标是避免多UUV之间，UUV与障碍物之间以及UUV与动目标之间的碰撞并以稳定的编队结构包围跟踪动目标。将每个个体均需要内嵌的目标跟踪控制器分解为两个基本的控制问题：速度控制及航向控制。
　　4.采用定义四种编队行为（目标搜索、确认目标、重新搜索目标及包围并跟踪目标）和三种个体行为（探测到目标行为、航行器角色转换行为、包围动目标并跟踪行为）的方式，制定相应的自主控制策略。搜寻目标时，L-UUV的角色随机生成。当确认搜寻并跟踪的目标是使命要求的目标时，首先探测到目标的UUV转换为L-UUV。这种基于L-UUV转换的方法的目的是减少重新获取目标行为被激发的次数，并使多UUV编队具有更高的能力去保持与目标之间的联系，从而实现动目标的跟踪。
　　5.为说明文中自主控制策略与运动估计及优化方法、内嵌目标跟踪控制器、协调编队控制器相互结合、影响的方式能够解决目标驱动应用并进行协作目标跟踪使命，设计典型案例予以验证。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 UUV技术国内外发展现状

1.3 协作目标跟踪技术概述

1.4 多UUV编队方法研究进展概述

1.5 论文的研究内容

第2章 多UUV编队系统体系结构及UUV模型

2.1 引言

2.2 UUV系统体系结构

2.3 UUV运动的数学模型

2.4 本章小结

第3章 目标运动估计方法及优化研究

3.1 引言

3.2 目标运动模型

3.3 UUV个体估计目标运动状态方法

3.4 目标运动估计优化研究

3.5 本章小结

第4章 面向目标驱动的多UUV编队方法研究

4.1 引言

4.2 UUV水平面模型及控制目标模型

4.3 多UUV编队协调控制器设计

4.4 面向目标驱动多UUV编队控制过程设计

4.5 本章小结

第5章 面向目标驱动的多UUV编队行为仿真验证

5.1 引言

5.2 仿真环境及案例设计简介

5.3 单UUV面向目标驱动仿真验证

5.4 多UUV协调编队控制仿真验证

5.5 不同目标驱动条件下多UUV编队行为仿真案例

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表论文和取得科研成果

致谢