海洋环境下多无人艇协同航行机制与仿人自适应控制研究

In allusion to the problem of collaborative navigation control for the Mutil- Unmanned Surface Vehicles(Mutil-USVs), firstly, the method of "single ship model dynamic + alterable communication topology" is abopted to establish the coordinated dynamics mathematics model for Multi-USVs, which will solve the problem of hard to description the dynamics of the Multi-USVs.Secondly, the coordinated dynamics model will be estabilished by the way of designing the controller instansien index and congtrol modal. Thirdly, the coordinated degree mathematics model will be established at the basic of coordinated dynamics model. Then the collaborative mechanism of the path-following for Multi-USVs will be explored. And the human-simulated adaptive coordinated control method will be researched, which is adaptive and robust, by the way of using the control theory of human-simulated intelligente and the sigmoid-plane adaptive algorithm. Finally,the collaborative mechanism and adaptive coordinated control method will be explored and validated by the way of hardware-in-loop simulation and lake trial for the Multi-USVs. According to the sdudy of this project, there will be more basic theorys and technique support for the USVs formate coordinated exploration and the ocean collaborative observation, and also there will be a new way and new idea for the exploration of ocean resource and surveillance of ocean environment.

本项目针对多无人艇之间路径跟踪的协同控制问题，首先拟采取"单个艇体动 态+可变通信拓扑"的方法，建立多无人艇的协同动力学模型，解决多无人艇系统动态难描 述的问题；其次，通过设计协同控制器的瞬态指标和控制模态，建立多无人艇空间同步航行的协同度特征模型；然后，建立协同度的数学模型，探索多无人艇路径跟踪的协同机制，并通过运用仿人智能控制理论和S 面自适应算法，研究一种自适应强、鲁棒性高的仿人自适应协同控制方法；最后，通过多无人艇的半实物仿真和湖上试验，验证多无人艇之间的协同机制，及其自适应协同控制的新方法。通过该项目的研究，可为多无人艇自主编队航行及协同探测、多海洋机器人协作观测提供理论基础和技术支持，也可为海洋资源的探索、海洋环境的监测提供新途径、新思路。

协同作业是社会体系中最基本的智能活动之一，通过多个Agent之间的协同合作，发挥各自优势，可以完成单个Agent所难以完成的、复杂的任务。在海洋应用方面，多无人艇的协同航行，可以构建网络式移动传感器，实现对大面积海域水文地理数据的快速采集；在水面无人艇和水下机器人的协同运动作业中，为保证水下机器人采集的数据高速传输到水面母船，作为水下机器人和水面母船之间的中继站——无人艇，需要保持在水下机器人的正上方；本项目针对多无人艇之间路径跟踪的协同控制问题，首先采取“单个艇体动态+可变通信拓扑”的方法，建立多无人艇的协同动力学模型，解决多无人艇系统动态难描述的问题；其次，通过设计协同控制器的瞬态指标和控制模态，建立多无人艇空间同步航行的协同度特征模型；然后，建立协同度的数学模型，探索多无人艇路径跟踪的协同机制，并通过运用仿人智能控制理论和 S 面自适应算法，研究一种自适应强、鲁棒性高的仿人自适应协同控制方法；最后，在无人艇动力学模型的基础上，对多艘无人艇进行协调航行仿真试验，依次进行了横排编队协同航行仿真，竖排编队协同航行仿真，该协同航行仿真验证了仿人自适应协同控制方法的可行性。并通过二艘无人艇的湖上试验，验证多无人艇之间的协同机制，及其自适应协同控制方法可靠性。多无人艇协调航行的仿真试验与湖试表明，该路径跟踪的协同机制和自适应算法具有较强的工程实用性。通过该项目的研究，可为多无人艇自主编队航行及协同探测、多海洋机器人协作观测提供理论基础和技术支持，也可为海洋资源的探索、海洋环境的监测提供新途径、新思路。