抵近海底作业多无人潜航器编队动态控制方法研究

In order to deal with the problem of formation dynamic control of multiple Unmanned Underwater Vehicle (UUV) system operating towards seabed area with the constraints of limited communication, nonlinear model and dynamic/static obstacles environment, this project aims to carry out the following three key important problems based on predictive control theory, evolutionary game theory，Rapidly-exploring Random Tree(RRT) theory. Firstly, combining the UUV nonlinear characteristics and feedback linear model, a formation coordinated predictive control method is proposed based on independent dynamic communication topology to deal with nonlinear control problem of multi-UUVs formation with limited communication.Secondly, the autonomous cooperation mechanism between leaders and followers is explored, and a formation dynamic control method is proposed based on coordination equilibrium countermeasures and evolutionary game, to deal with the dynamic collision avoidance problem of multi-UUVs in environment with dynamic/static obstacle.Thirdly, a metaheuristic multi-RRTs algorithm based on nonredundant shared information database is proposed to achieve the low energy consumption, collision avoidance, and real-time dynamic path planning in the environment with local multiple obstacles.On the basis of above results, multi-UUVs formation controlling experiments are carried out to verify the feasibility of control methods. Through the research project, the performance of multi-UUVs formation strategy and control methods could be ultimately improved so as to satisfy the reliability, and to be a theoretical foundation for the real multi-UUVs formation operating towards seabed area.

为解决通讯受限、模型非线性和动静碍航物等约束条件下，无人潜航器（UUV）群系在抵近海底作业时的编队动态控制问题，本项目拟利用预测控制理论、演化博弈理论与快速搜索决策树理论为理论基础，开展以下三个关键问题研究。第一，结合潜航器非线性特征与反馈线性化模型，研究基于独立动态通信拓扑的编队协调预测控制方法，解决有限信息约束环境下，多无人潜航器编队的非线性控制问题；第二，探索跟随者与领航者间的自主合作机理，研究基于协同均衡对策与演化博弈的编队动态控制方法，解决碍航物环境下多潜航器编队的动态避碰问题；第三，研究基于非冗余共享信息库的多树形元启发快速搜索决策树算法，实现局部多动静碍航物环境下的低能耗实时动态避障轨迹规划。以上述研究为基础，对多无人潜航器编队控制开展模拟试验，以验证控制策略及方法的可行性。通过本项目的研究，为解决抵近海底作业的多无人潜航器编队作业问题奠定理论与技术基础。

本项目针对多无人潜航器（UUV） 系统，分别从非精确模型条件下的UUV自抗扰控制、近底海域通讯信息受限的多 UUV 编队协调控制、基于水下协同组合的多UUV编队队形优化、动态环境下多碍航物环境下的动态避障规划等方面进行相关研究。已完成研究内容及结果包括：1）本课题开展了自抗扰控制器方法研究，对自抗扰控制器的各个组成结构进行讨论，针对参数变化对自抗扰控制器各个组成部分性能的影响进行了研究。并以自抗扰控制原理的解耦方法为基础，设计针对UUV模型的解耦方法，基于解耦后的模型，设计了多种UUV航行任务的控制器。由于UUV的回收过程多在近水面进行，受外界与模型的干扰程度较大，因此将该方法用于UUV的回收仿真过程中。2）针对水下弱通讯环境下的UUV编队协调控制问题，在基于固定拓扑和切换拓扑下具有部分信息和不确定干扰下多UUV系统协调控制方法中，解决时变通信和带宽有限弱通信情况下受到不确定干扰的一致性控制问题。开展了基于固定/切换拓扑具有时变时延的多UUV系统协调控制方法研究，解决了带宽有限、时变通信和通信时延弱通信情况下一致性控制问题。3）针对多UUV协同导航系统，分析了多UUV协同导航误差传播特性。通过 Cramer-Rao不等式下界极值分析的方法，对增加领航UUV、跟随UUV后的编队协同导航最优队形问题进行了研究，得出了不同情况下的多UUV协同导航系统最优编队构型。4）考虑基于通信链权重以及编队相对位置的跟随者自主选择领航者方法，并从多未知障碍物的角度，基于改进的人工势场法构建实时的环境威胁概率地图，提出了智能优化的RRT算法，实现多UUV编队以协调性、随机性以及趋向目标性来获取编队的最优协调路径。本项目研究内容全面、综合性强，可为更大规模的UUV集群在深远海域航行的关键科学问题研究方面提供重要参考和思路。研究工作均按照既定计划进行，发表高质量论文共十余篇。