弱通信條件下多AUV編隊控制及協(xié)作機制研究.pdf

1、自主式水下機器人可以代替人類在海洋環(huán)境中執(zhí)行復雜危險的工作，在海底探測、水下作業(yè)、海上作戰(zhàn)等方面具有廣泛的應用前景。鑒于多水下機器人在各方面的優(yōu)勢和相關技術的發(fā)展，多水下機器人協(xié)同作業(yè)成為水下機器人新的應用形式。與陸上自主移動機器人相比，水下特殊的工作環(huán)境給多水下機器人系統(tǒng)的研究和設計帶來更多困難。水聲通信產生的不可忽略的信息延遲、通信失效以及高誤碼率等不利因素給多水下機器人的協(xié)調與協(xié)作帶來很大的挑戰(zhàn)。本文以多水下機器人系統(tǒng)在弱通信環(huán)境

2、中普遍存在的協(xié)同問題為核心，分別研究通信時延及通信失效對編隊系統(tǒng)及其穩(wěn)定性的影響和基于局部感知和有限通信范圍的協(xié)調與協(xié)作機制。本文的主要研究工作概括如下:
　　(1)研究了一類具有雙積分動態(tài)的群體編隊系統(tǒng)的穩(wěn)定性，針對水聲通信容易產生較大的信息延遲問題，為了使編隊收斂至指定速度，采用時延依賴的分布式控制律產生控制輸入，然后利用拉普拉斯矩陣的性質對系統(tǒng)進行線性變換，根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)分析系統(tǒng)達到穩(wěn)定的條件以及收斂性，研究時延上限與

3、控制參數(shù)和通信拓撲結構的變化關系，并表明在控制律中加入時延相關的預測項的必要性;針對水聲通信失效或偶然中斷問題，將該編隊系統(tǒng)看作一個具有馬爾可夫性質的切換拓撲結構，在一致性算法的基礎上，利用不可分解且非周期隨機矩陣的性質，分析群體收斂至穩(wěn)定的期望編隊的條件。實驗結果表明，所采用的控制律和得到的穩(wěn)定結論是正確的，有效地解決了通信時延和通信失效情況下的群體編隊問題，對于多水下機器人在弱通信環(huán)境中的編隊問題具有一定的實用價值。
　　(2

4、)在前面研究的基礎上，結合水下機器人的動力學特性，研究了通信時延和通信失效影響的多水下機器人編隊系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。以某型全驅動水下機器人為例，通過變換將其動態(tài)模型表示為雙積分形式，并以雙積分群體編隊控制律和穩(wěn)定性結論為基礎，分別設計水下機器人在通信時延和通信失效情況下的控制輸入，證明在一定條件下，所采用的方法能夠使多個水下機器人逐漸地收斂至指定編隊。對于通信失效問題，還分析采用DR算法對收斂過程的影響。實驗結果表明，所提出的策略和得到的結

5、論是有效的。
　　(3)研究了多水下機器人協(xié)同目標搜索機制，將任務完成過程分為目標線索搜索、追蹤目標線索和準確定位目標三個階段。以海底熱液探測為例，水下機器人在開始階段以編隊運動方式在較大海域內進行全局范圍的目標線索搜索，然后在局部范圍內完成目標線索跟蹤和目標定位任務。針對水聲通信的通信范圍小、通信質量差等限制，利用交哺式通信在水下機器人群體內部涌現(xiàn)出“虛擬食物”的梯度方向，模擬魚群行為實現(xiàn)目標線索跟蹤。實驗結果表明，群體內部的擁

6、擠因子和“虛擬食物”閾值對系統(tǒng)性能有影響，引入魚群行為和增加擁擠因子有利于提高完成任務的效率。
　　(4)以海洋礦物標本或海底硫化物的采集作業(yè)為應用背景，研究了生物交哺行為在多水下機器人協(xié)作搜集任務中的應用。給每個水下機器人定義一個內部變量衡量其自身的工作狀態(tài)，并通過比較不同水下機器人的內部狀態(tài)變量來判斷交哺的可能性和方向性，進一步用狀態(tài)轉換圖表示不同工作狀態(tài)之間的關系。利用微分方程從宏觀角度描述了系統(tǒng)中水下機器人在各狀態(tài)的分布隨