受通讯距离约束的UUV编队控制方法研究

论文摘要

水下无人航行器（UUV-Unmanned Underwater Vehicle）的研究在海洋资源开发中扮演了不可或缺的角色,同时也具有重要的军事意义。而多UUV编队控制系统由于其诸多优点成为UUV领域的重要发展方向之一。本文正是针对这一问题,研究了受通讯距离约束的UUV编队控制方法,主要做了以下几方面的工作：首先,通过对UUV体系结构的探讨和分析设计了一种适用于本课题的分层混合式体系结构。将系统分为四层：感知层、协调规划层、控制处理层和执行层。并分别对每层的功能进行了分析和说明。最后结合本课题,对所设计的体系结构的运行方式进行了探讨。其次,对UUV的水声通信方法进行了设计。通过对水声传播特性,水声网络拓扑结构和分层方法的分析,依据多UUV编队控制系统的特点设计了适合于本系统的水声通信网络层路由协议。此方法引入了通信权值的概念,根据所设计的模型将UUV间的通信数值化,使UUV能非常直观的选择路由序列,达到UUV间快速、准确传递信息的目的。再次,基于所设计的通信方法对多UUV编队控制方法和避障方法进行了研究和仿真。通过对人工势场法优缺点的分析,得出了一种改进的人工势场模型。这种改进的模型能够很好的避免传统人工势场法中出现的极小值点,克服了斥力影响引力导致目标点不可达的问题。然后将这种改进的人工势场模型应用到多UUV编队控制系统的编队控制和避障研究中,分别对编队控制和避障中面临的各个问题进行逐一分析。并通过队形保持、队形变换、避障等仿真案例验证了所设计的改进人工势场模型能够很好的控制整个多UUV编队控制系统,使其顺利完成编队避障的任务。最后,应用编队控制方法和通信方法对多UUV路径跟踪方法进行了设计和仿真。通过一个未加路径跟踪控制器的S曲线案例阐述了路径跟踪的重要性,在此基础上详细介绍了反步法,应用反步法对路径跟踪控制器进行了设计,建立了合适的误差跟踪函数,并应用李亚普诺夫稳定性理论证明所设计的路径跟踪控制器为渐进稳定。通过仿真实验,成功的对多UUV编队控制系统进行了编队控制和路径跟踪控制。验证了所设计方法的准确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 多UUV研究的主要内容及未来趋势
• 1.2.1 多UUV研究的主要内容
• 1.2.2 UUV系统未来的发展趋势
• 1.3 国内外发展现状
• 1.3.1 UUV发展现状
• 1.3.2 多UUV发展现状
• 1.4 论文研究的内容和结构安排
• 第2章 多UUV系统体系结构设计
• 2.1 引言
• 2.2 UUV系统体系结构
• 2.2.1 单UUV体系结构
• 2.2.2 多UUV系统体系结构
• 2.3 系统体系结构设计
• 2.3.1 UUV体系结构设计
• 2.3.2 UUV体系结构运行方式
• 2.4 本章小结
• 第3章 多UUV水声通信方法研究
• 3.1 引言
• 3.2 水声传播特性
• 3.2.1 传播时延
• 3.2.2 声波在海水中的传播损失
• 3.2.3 最大水声通信距离
• 3.3 水声网络拓扑结构及分层
• 3.3.1 水声网络拓扑结构
• 3.3.2 水声网络分层
• 3.4 水声网络通信协议设计
• 3.4.1 问题描述
• 3.4.2 路由协议的设计与实现
• 3.4.3 仿真验证
• 3.5 本章小结
• 第4章 多UUV编队控制方法
• 4.1 引言
• 4.2 人工势场法
• 4.2.1 传统人工势场法
• 4.2.2 改进人工势场法
• 4.3 基于改进人工势场的编队、避障控制研究
• 4.3.1 编队控制方法
• 4.3.2 避障研究
• 4.4 仿真验证
• 4.4.1 队形变换仿真实验
• 4.4.2 避障仿真实验
• 4.5 本章小结
• 第5章 多UUV路径跟踪控制方法
• 5.1 引言
• 5.2 反步法简介
• 5.3 基于反步法的路径跟踪控制
• 5.3.1 控制器设计
• 5.3.2 稳定性分析
• 5.4 仿真验证
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢