基于分布式合作辨识与自适应事件驱动的水下定位系统研究

The underwater observation system with multiple autonomous underwater vehicles(AUVs) is an important mean for environmental monitoring, underwater rescue and anti-submarine warfare. This requires the AUVs can make precise positioning of underwater target by cooperation. However, due to the complexity of underwater environment, there are still some challenges. Therefore, the main research contents are: (1) to design distributed cooperative identification scheme for localization based on cooperative persistent excitation condition; (2) to consider the effect of environment on measurement information, we build suitable evaluation function based on frame theory for multi-target case to analyze the optimal formation configuration; (3) to study the control problem of multiple AUVs based on event-triggered adaptive control mechanism, and to analyze the stability of synchronization error system. Through this study we will provide theoretical guidance to the practical operations of underwater observation system with multiple AUVs.

多自主水下航行器（AUV）组网观测系统是环境检测、水下搜救和反潜作战的重要手段，要求多AUV能够通过协作对水下目标进行精确定位。但是由于水下环境的复杂性和恶劣性，使得相关研究仍然面临诸多挑战。本项目以多年研究积累为基础，主要研究以下内容：（1）借助合作持续激励条件，设计分布式合作辨识方案对目标进行定位；（2）考虑环境因素对量测信息的影响，基于框架理论建立适用于多目标情形的定位性能评价函数，求解最优定位队形结构；（3）结合自适应控制与事件驱动控制，分析AUV的运动控制问题，分析同步误差系统的稳定性。通过本项目的研究，为多AUV观测系统在军事和民用领域的应用提供必要的理论指导。

近年来，多智能体系统在军事和民用领域扮演着越来越重要的角色，而在众多应用场景中，目标定位及跟踪控制是一类非常典型的任务，实现对目标的精确定位及跟踪控制对顺利完成各项任务具有非常重要的意义。本项目主要研究了以下内容：.1）基于距离值和角度测量值的定位精度分析.针对水下目标定位系统，基于距离值和角度测量值建立二维定位模型，通过对定位模型的分析，阐明传感器位置误差、距离测量误差、角度测量误差与目标定位误差之间的关系，在此基础上建立定位性能评价函数，通过极小化该评价函数分析不同因素对定位精度的影响。.2）基于框架理论的最优定位队形结构问题分析.针对定位系统中传感器数量增加的情况，基于框架理论建立定位性能评价函数，此评价函数是关于传感器和目标之间相对位置关系的函数，通过对评价函数的分析，得到不同传感器数量下定位系统的最优队形变化情况，并推导证明了此评价函数与基于克拉美罗下界理论建立的评价函数的等价性。.3）三维空间基于距离量测的定位系统最优队形分析.针对三维空间定位系统，由于维度的增加，引入了更多的未知参数，FIM表达式也变成3×3矩阵，此时利用FIM的行列式很难直观求解其最小值。本项目通过建立矩阵行列式与特征值之间的关系，巧妙地推导出行列式最优时，矩阵表达式应为对角矩阵的形式，大大简化了分析求解过程。.4）基于事件驱动机制的二阶时变耦合复杂网络同步研究.本项目将多自主水下航行器目标定位系统看作是复杂动态网络，考虑到水温、密度、盐度等因素可能使得系统内部存在时变耦合，建立了二阶时变耦合的复杂动态网络模型，分析了指数同步问题，通过引入事件触发机制，避免了连续通信，降低了能耗和通信负荷，排除了Zeno行为。.除此之外，本项目还针对无线通信系统中的资源调度问题做了部分拓展工作。