不确定非线性多个体系统的协同操纵控制及海洋航行器应用

The principal investigator of this project is experienced in multi-agent systems control, adaptive control of nonlinear systems, and cooperative control of marine vehicles. Taking this advantage, we will focus on the complex high-order nonlinear multi-agent systems subject to model uncertainty，environmental disturbances, and input constraints. By introducing path maneuvering into cooperative control framework of multi-agent systems, this project will investigate the distributed coordinated maneuvering problem guided by parameterized paths, and builds neural network identification/estimation architecture with fast learning and robustness capabilities, and modular design method by decoupling communication loop, estimation loop, and control loop, such that the transient performance of the closed-loop network can be substantially improved. The stability of closed-loop system will be analyzed by using the graph theory, convex theory, ISS stability, and cascade system stability. This project also aims to develop an experimental platform consisting of multiple unmanned surface vehicles, and validate the effectiveness of the algorithms through experiments. Through deep and meticulous research, this project aims to establish systematic and self-contained theory for coordinated maneuvering of uncertain nonlinear multi-agent systems, and lay a solid foundation for its applications in marine vehicles, mobile robots, and unmanned aerial vehicles with high technology. The successful completion of the proposed project will significantly advance the frontiers for cooperative control of multi-agent systems in both theory and practice.

充分发挥申请人在多个体系统控制、非线性系统自适应控制、多海洋航行器协同控制方面的研究优势，针对具有模型不确定、环境扰动、执行机构约束的高阶非线性多个体系统，将路径操纵融入到多个体系统协同控制框架内，研究基于参数化路径导引的分布式协同操纵控制原理，构建兼具快速性和鲁棒性的神经网络辨识/估计新方法，以及通信回路、估计回路、控制回路解耦的模块化设计方法，显著提高闭环系统的暂态性能。综合应用图论、凸集、ISS稳定性、级联系统稳定性等工具分析闭环系统的稳定性，研制开发多无人水面航行器实验平台，并对协同操纵控制算法有效性进行实验验证。通过深入细致的研究，建立系统而完善的不确定非线性多个体系统协同操纵控制理论，为其在海洋航行器、移动机器人、无人机等高技术领域应用打下坚实的基础，从理论和实践两方面进一步推动不确定非线性多个体系统协同控制研究的进步。

本项目以提高不确定非线性多个体系统的协同性为目的，针对具有环境复杂性、模型不确定性、状态与输入约束的高阶非线性多个体系统，将路径操纵融入到多个体系统协同控制框架内，系统地建立了高阶非线性多个体系统协同操纵控制理论。具体而言，第一，针对具有模型不确定、环境扰动、状态与输入受限的高阶非线性多个体系统，建立了参数化路径导引的多个体系统的协同操纵控制策略，分别实现了单参数路径导引与多参数化路径导引的不确定非线性多个体系统协同操纵。第二，针对复杂多个体系统模型的高度不确定性和由于网络关联引入的耦合不确定性，构建了不确定非线性多个体系统的快速神经网络辨识/估计结构，解决了现有设计方法中稳定性随自适应学习增益增加而降低的难题。第三，针对现有协同控制器设计方法中控制回路与估计回路耦合所带来的复杂性，提出了不确定非线性多个体系统的模块化设计方法，实现了不确定非线性多个体系统的确定性等效控制。第四，应用所建立的协同操纵控制理论与控制器设计方法，设计了适用于无人海洋航行器集群的协同操纵控制算法。研制了一套无人水面航行器集群协同控制平台与系统，实验验证了所提协同操纵方法的有效性。. 研究小组在TNNLS, TCYB, TIE, TCST, TSMCA, TII, OE, 中国科学：信息科学等国际重要学术期刊和会议中发表基金标注SCI/EI检索论文81篇，其中SCI检索期刊论文49篇(含3篇在线发表)。申请国家发明专利14项，授权6项。研究成果获中国海洋工程科学技术一等奖(2019)，辽宁省科学技术二等奖(2017)。项目成员入选入选国家“万人计划”青年拔尖人才，辽宁省“兴辽英才”青年拔尖人才，交通运输部中青年创新领军人才等人才计划。培养博士生获辽宁省优秀博士学位论文。项目负责人作为会议联合主席，成功举办了第五届自动化,控制和机器人技术工程国际会议。该项目从理论和实践两方面进一步推进了多个体系统协同控制技术的研究进展。