欠驱动多运载体的协同控制

The coordination of multiple vehicles refers to that the artificial motion systems with the ability of collaborative perception, decision-making can independently cooperate their behaviors with the help of communication, and then complete the assigned tasks. The control of multiple vehicles coordination is in recent years the newest topic in the research of multiple agents coordination, and has a wide range of applications in the fields of traffic, engineering, national defense and military. In this project, the cooperative control of underactuated multiple vehicles is studied. The research contents include the stabilization of underactuated vehicle on rigid motion group, autonomous cooperative control of underactuated multiple vehicles on rigid motion group, the impact of communication topology on the autonomous cooperative behavior on rigid motion group, and the simulation studies on cooperative control of underactuated multiple vehicles. The design of the research contents is the further and extension of the previous research works. Through the study of this subject, not only the key issues for the control of underactuated cooperative mechanical systems are expected to be resolved from the aspects of theory and technology, but also the related methods and techniques have obvious reference value for technical progress and application of multi-agent system of other engineering applications and aerospace systems.

多运载体协同泛指具有感知、通信、决策、运动能力的人造运动系统，借助于通讯自主地协同其行为，进而完成指定的任务。多运载体协同控制是近年来多智能体控制研究的新课题，在交通、工程、国防军事领域有着广泛应用。本项目针对欠驱动多运载体的协同控制开展研究，研究内容包括：刚体运动群上欠驱动运载体的镇定；刚体运动群上欠驱动多运载体的自主协同控制；刚体运动群上通讯拓扑结构对自主协同行为的影响；欠驱动多运载体协同控制的仿真研究。相关研究内容的设置、研究方案的设计是对以往基础研究工作的进一步深入和扩展。通过本课题的研究，不仅可望从理论和实践两方面解决欠驱动力学系统协同控制中的核心科学和技术问题，而且有关方法和技术对其他工程应用系统及航空航天领域的多智能体系统的技术进步和推广应用都有明显的借鉴价值。

本项目针对刚体运动群上欠驱动多运载体的协同控制问题展开相关研究。根据刚体运动群维数的不同，分别研究了二维和三维特殊欧式群上欠驱动运载体的协同控制。另外，提出了指定有限时间控制的理论框架，并研究了欠驱动多体动力学系统相关控制问题。所取的原创性成果如下。.在平面刚体运动群SE(2)上，以非完整约束轮式机器人和欠驱动约束水面舰船为对象开展了协同控制研究。对于位形镇定问题，设计了基于指数坐标的PD镇定控制律，并提出了c-Nonholonomic轨迹的概念。对于领航者-跟踪者编队问题，提出了基于相对系统的分解原理，并给出了强/弱刚性编队的概念。对于无领航者编队问题，设计了包含期望队形的虚拟系统，通过构造凸组合系统实现了多个运载体基于一致性的编队。.在空间刚体运动群SE(3)上，以水下潜航器和四旋翼无人机为研究对象开展了相关研究。针对参数不确定的情况，在哈密顿力学框架下，给出了潜航器相对平衡点镇定控制律。对于平衡点镇定问题，利用运动耦合思想设计了附加旋转矩阵，补偿了欠驱动方向上的平移运动。针对四旋翼无人机的全状态跟踪编队控制问题，设计了基于耦合中间姿态控制策略。.针对仿射系统和运载体系统，研究了指定时间控制律。利用时间再标度法，将原控制系统变换为含有时间标度参数的转换系统。进而，在转换系统上设计相应控制律，并利用时间标度函数将原系统的渐近控制律转化为指定时间控制律，实现了在控制允许下的收敛时间任意指定。.以欠驱动桥式吊车为对象研究了跟踪、抗摆等控制问题。基于在线轨迹规划方法，研究了空间三维桥式吊车自适应抗摆控制。基于耦合分析的方法，研究了平面双摆模型抗摆控制。除此之外，从能量的观点，研究了欠驱动桥式吊车在有负载升降情况下的定位抗摆控制问题。