面向水下移动目标监测的水声传感器/执行器网络协同控制

Underwater mobile target monitoring is aimed to detect target in time and acquire the information data, and then achieves the tracking control for suspicious mobile target. It has important practical significance to safeguard China’s maritime rights and ensure the resource exploration. How to use underwater acoustic sensor and mobile vehicles (actuator) through acoustic communication to construct an efficient associated dynamic network becomes a key problem for the construction of underwater mobile target monitoring system. This project, which makes full use of the sensor perception and autonomous mobility characteristic of underwater actuator, investigates the coordination control of underwater acoustic sensor and actuator networks. Considering the limited communication characteristics of underwater acoustic communication and the obstacle environment, we intend to focus on networking and control aspects, and then develop the following three aspects: 1) In order to prolong the lifetime of monitoring network and improve the speediness of the cooperation for sensor and actuator nodes, energy and path optimization models are constructed, respectively; 2) A network topology connection dynamic keeping strategy, and a topology optimization algorithm which is aim to solve the energy optimization model are designed, such that the lifetime of monitoring network can be prolonged; 3) To guarantee the effectiveness of the coordination control system, we consider the dynamic time delay of underwater acoustic communication and underwater obstacle, and then a path planning method is proposed for underwater actuators which is aim to solve the path optimization model. The expected results of this project can provide basic theoretical and key technical support for the integration design of networking and control of underwater mobile target monitoring system.

水下移动目标监测系统旨在及时发现目标、获取数据信息以实现对可疑移动目标的跟踪，对于维护我国海洋权益和保障资源探索具有重要现实意义。如何利用水声传感器、移动潜器(执行器)，通过水声通信构建高效联合的动态网络，成为构建水下移动目标监测系统的关键。本项目充分利用传感器感知能力和执行器自主移动特点，开展水声传感器/执行器网络协同控制研究。拟聚焦组网与控制两个层面，考虑水声弱通信特点和障碍物环境，开展三方面研究工作：1) 为延长监测网络寿命以及提高传感器/执行器协作的快速性，拟建立能量以及路径优化模型；2) 设计网络拓扑连通性动态保持算法，面向能量优化提出拓扑优化算法，延长监测网络寿命；3) 考虑动态水声通信时延与水下障碍，设计面向路径优化的水下执行器跟踪移动目标的轨迹规划方法，确保协同控制系统的有效性。本课题的预期成果可为水下移动目标自主监测系统的组网和控制融合设计提供理论研究基础和关键技术支持。

水声传感器/执行器网络(UASAN)兼具有水下传感器静态感知和水下执行器自主移动能力，为水下组网和控制融合设计提供理论研究基础和关键技术支持。本项目考虑水声弱通信约束，聚焦组网与控制两个层面，创造性地提出“感知-组网-控制一体化”思路，结合水声弱通信特性以及水下执行器模型不确定特点，分别从能量模型构建、网络拓扑优化和执行器轨迹追踪三方面开展研究，取得如下创新性成果。.1. 在动态组网层面，针对水声通信能量受限问题，提出了UASAN拓扑能量优化以及路径优化模型，以提高传感器与执行器动态协作的快速性；针对水下监测中拓扑保持问题，提出了基于刚性图的拓扑保持算法，实现对目标监测区域信息可靠传输并实现能量最小化；针对组网过程中节点时钟难以同步问题，提出了基于移动预测的异步定位算法，并将多智能体系统中的一致性融合思想应用到水下节点定位过程中，实现了水下移动节点高精度定位；此外，构建了一个室内近场水声实验室，自主设计了水声调制解调器，为水下动态组网提供了通信硬件支持。.2. 在协同控制层面，针对通信时延以及输入饱和约束下的编队控制问题，提出了集中式与分布式多执行器编队控制器，并给出了保证系统稳定的充分条件；针对水下环境中执行器模型难以获取问题，提出了基于增强学习的追踪控制算法，通过评价网络迭代，实现了执行器对定点的可靠追踪；在定点追踪基础上，提出了水下定位与追踪联合控制算法，实现了执行器对移动点的可靠追踪。此外，自主设计了水下机器人，并将提出的控制算法应用到水下机器人上，进行水池实验，保障了协同控制方法的实用性。.共发表论文21篇，其中SCI收录13篇，EI收录8篇，申请发明专利3项，授权4项。研究成果2017年OI中国水下机器人大赛三等奖、2017以及2018年华北五省大学生机器人大赛河北赛区创意组一等奖各一项。