基于性能约束技术的多AUV系统分布式编队控制研究

Coordinated formation control of multiple autonomous underwater vehicle systems is significant to marine science and technology. Because of the diversity and complexity of underwater operating missions, motion control problem of autonomous underwater vehicle is facing new challenges. Transient performance including maximum overshoot and response time and steady-state performance including final error are needed to be constrained. In this project, to realize formation tasks with high performance for multiple autonomous underwater vehicle systems, the distributed formation control techniques considering performance constraints are investigated. The content includes following aspects. By combining distributed tracking control techniques based on graph theory and Barrier Lyapunov Function method, distributed formation control problem is studied. Then we combine the switching system approach to further study the switching topology case. Nonsingular terminal sliding-mode method is combined to investigate the finite time formation control algorithms while the chattering-eliminating problem is also considered. We also combine observer techniques to further study the case when the velocity information is unavailable. Moreover, cascaded system theory is used to further investigate the problem when each AUV has underactuated dynamics. In this project, we aim to improve the existing control strategies, explore the new scientific problems, and obtain a series of new theoretical results. It has certain theoretical guiding significance and engineering application value for the development of formation techniques for multiple autonomous underwater vehicle systems in the future.

多AUV系统协同编队作业对于海洋科学与技术研究有重要意义，并且由于水下任务需求的多样性和复杂性，AUV的运动控制问题不断出现新的挑战，需要考虑对系统的最大超调、响应时间等暂态性能和最终误差等稳态性能进行约束。本项目针对多AUV系统高性能的实现编队航行任务的需求，紧密围绕考虑性能约束的分布式编队控制这一关键问题开展研究。研究内容包括：结合基于图论的分布式跟踪控制理论和障碍李雅普诺夫函数方法，研究分布式编队控制问题；结合切换系统理论，进一步研究拓展到切换通讯拓扑的情况；结合非奇异终端滑模技术，进一步研究有限时间编队控制情况，并考虑抑制抖振问题；结合观测器技术，进一步研究速度信息不可用的情况；结合级联系统理论，进一步研究AUV动力学模型具有欠驱动特性的情况。本项目旨在改进现有控制策略并探究新的科学问题，得到一系列新的理论成果，对未来多AUV编队技术的发展具有一定的理论指导意义和工程应用价值。

水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)系统协同编队作业对于海洋科学技术研究有重要意义。水下任务需求具有多样性和复杂性，需要考虑对系统的最大超调、响应时间等暂态性能和最终误差等稳态性能进行约束。本项目针对多AUV系统高性能的实现编队航行任务的需求，围绕考虑性能约束的分布式编队控制这一关键问题进行深入研究。1）首先在考虑环境、推进器故障和模型不确定性的情况下，研究了基于有向通讯拓扑的多AUV分布式性能约束(Considering Performance Constraints，CPC)编队控制问题。使用神经网络方法对外界干扰、推进器故障和模型不确定性组成的广义干扰进行估计，提出了分布式CPC编队控制律。通过仿真试验验证跟随者AUV可以到达领航者AUV形成的凸包，提升了编队的可靠性、安全性与任务效率。2）进一步考虑编队对误差收敛时间的需求，基于反步法设计tan型障碍李雅普诺夫函数(Barrier Lyapunov Function, BLF), 通过有限时间收敛技术设计了控制算法。针对非连续项导致的控制抖振问题，结合高阶滑模控制设计了改进的抑制抖振有限时间CPC编队控制算法。两种算法及仿真试验均可保证跟随者AUV在有限时间内到达领航者AUV形成的凸包。约束误差收敛时间并考虑容错性可提升系统的紧急避险能力，而削弱抖振可减少系统损害，进而提升系统作业能力。3）针对各AUV存在相对速度信息不可用的情况，设计指令滤波器生成虚拟速度误差，结合BLF方法提出了控制算法，实现了多AUV系统CPC编队控制。进一步考虑不利用绝对速度信息情况，设计有效的观测器，估计出AUV系统绝对速度信息及其高阶信息，结合性能函数实现了AUV CPC 轨迹跟踪控制。两种算法及仿真试验保证了跟随者AUV可以到达领航者AUV形成的凸包，既降低系统成本，也减轻通讯压力、减少设备损耗，具有工程和理论方面的双重价值。4）由于计算机仿真技术不能完全模拟实际工况，研制了AUV实验系统。该平台可对算法进行实物或半实物实验，解决了仿真实验数据说服力差的问题，为算法测试提供便捷，能够更好地完成理论的验证与优化。