多自主水下航行器系统一致性编队跟踪控制

研究了自主水下航行器的编队路径跟踪问题.基于无源性理论与一致性跟踪理论,在仅有部分AUV获取编队速度信息情形下,设计一种分布式控制律,实现了集群AUV的一致性编队跟踪.控制律分为2个部分:一部分基于无源性同步原理,建立了协同误差到跟踪误差的无源性通道;另一部分为一致性协同跟踪控制器,保证每个AUV相对于虚拟领航者的不一致参考信息通过协商达到最终一致状态.文章应用Nested Matrosov定理证明了整个闭环系统的稳定性,仿真结果验证了上述方法的有效性和可行性.     

基于领航位置信息的AUV三维编队控制方法

研究了自治水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle,AUV）三维环境中编队控制问题,应用领航一跟随式队形控制方法,仅利用领航者的位置信息及期望编队队形得到虚拟机器人的航行轨迹及速度信息,作为跟随者的航行参考量,应用反步及滑模控制方法为跟随者设计自适应控制律,使其轨迹收敛于虚拟机器人的轨迹,从而与领航者保持期望位姿关系。随后,在具体AUV动力学模型上,利用MATLAB／SIMULINK平台进行了编队控制的仿真研究,实现了预期的控制效果,验证了算法的有效性及实用性。     

多机器人主—从行星式编队控制

研究了二阶积分器描述的多机器人主—从行星式编队控制问题,提出了将多机器人编队分解为每个机器人对各自具有时变速度的虚拟机器人的跟踪控制,使得每个机器人相对于虚拟机器人的位置与速度跟踪误差收敛为零且彼此不相碰撞,此时编队系统收敛到理想队形.在统一的算法框架下,分别实现了跟随者以领航者为中心的公转运动编队(revolution formation,RF)模式和跟随者与领航者保持期望距离、期望速度的编队(desiredformation,DF)模式.公转运动编队(RF)模式适用于异构多机器人系统的环境探索任务;保持期望距离、期望速度的编队(DF)模式适用于自主水下机器人(AUV)、无人机(UAV)等合作与协调任务.应用李亚普诺夫稳定性理论对控制算法的稳定性进行了分析,并通过计算机仿真验证了该方法的有效性.     

不同时变延迟下的多AUV编队协调控制

针对无领航者AUV编队协调控制问题,提出了一种不同时变通信延迟下的一致性协调控制方法;首先考虑到AUV之间水下通信存在时间延迟和数据丢失的问题,利用状态反馈线性化理论处理AUV数学模型中的非线性耦合项,从而将复杂的AUV模型转换为双积分器动态模型;其次,针对不同延迟通信情况,设计了位置和速度双独立的拓扑结构以减少编队成员之间发送每个数据包中的数据量;最后,提出了无领航者的多AUV稳定条件,进而将多AUV编队控制问题看作是一致性问题,基于Laypunov-Razumikhin定理证明时延多AUV编队系统的稳定性;该控制方法不仅能够克服不同时变延迟和数据丢失对编队的影响,使所有以随机位置和速度出发的AUV的三维轨迹均能达到一致状态,同时能抑制外界干扰;仿真结果与所提控制方法理论结果一致。     

基于事件触发的AUVs固定时间编队控制

针对多自主水下航行器编队系统受限于有限的通信资源及收敛速度慢等问题, 提出一种基于事件触发的自主水下航行器固定时间领航?跟随编队控制方法. 首先, 将动态面控制算法与反步法结合, 消除“计算膨胀”问题; 其次, 为节约有限通信资源, 将事件触发通讯机制和固定时间理论引入多自主水下航行器编队控制中, 设计编队控制器, 实现编队系统的固定时间稳定, 且系统收敛时间与初始状态无关, 并通过理论证明无Zeno行为; 最后, 对4艘自主水下航行器的编队进行仿真实验, 验证算法的有效性.     

基于卡尔曼滤波的自主式水下航行器大尺度编队控制

针对网络环境下环境噪声对自主式水下航行器编队控制的影响,提出一种利用卡尔曼滤波实时估计AUV最优运动状态的编队控制方法.将空间间隔较远的多AUV系统建模为多智能体系统,从大尺度上研究其编队控制问题.为了得到每个AUV速度状态的最优估计值,每个AUV都嵌入一个全局卡尔曼滤波器,利用该全局滤波器进行最优估计从而计算出噪声环境下其自身的最优位置.仿真结果验证了所给出的控制策略的有效性.     

基于有限时间系统同步的自治水下航行器回收控制

基于主-从系统状态同步的思想,提出了母艇在平面运动中回收自治水下航行器（Autonomous underwater vehicle,AUV）的一种控制方法. 在给出母艇和自治水下航行器的动力学模型基础上,建立了自治水下航行器（从系统）接收母艇（主系统）的状态信息并控制自身接近母艇的主从控制方案,使母艇自主回收水下航行器的问题转化为两者的运动状态同步问题. 利用有限时间稳定性理论,设计了一种在常值海流扰动影响下,自治水下航行器能够在有限时间内被母艇回收的滑模控制器,理论证明和仿真实例证实了该控制器的有效性.     

Lurie控制系统的时滞相关绝对稳定性新判据

研究了纵平面内的自主水下航行器(AUV)的跟踪控制问题. 该AUV由一个内部滑动质点及后推进器驱动. 结合滑动质点的运动方程, AUV可视为欠驱动系统. 基于Lyapunov理论及反步控制方法, 提出了一种跟踪控制律以镇定误差动力学并使得位置跟踪误差收敛于零点左右的一个小邻域内. 仿真结果验证了该控制律的有效性.     

控制约束下的多AUV编队路径跟踪

对水下航行器路径跟踪优化控制问题,研究了控制约束下的多AUV编队路径跟踪问题.由于滚动时域控制能够有效处理约束的优势,为提高系统稳定性,提出了一种分布式控制方法.各AUV在每个控制更新时域,根据自身状态向量与控制向量的实际值与其邻居状态向量的预测值,令给定的带有末端项的性能指标最优计算出作用于下一个控制时域的控制输入,并计算出预测控制,向其邻居发送.从理论上证明了算法的稳定性.仿真结果表明,所设计的控制方法能够在功率消耗较小的情况下实现多AUV的编队路径跟踪.     

自主水下航行器的回坞导引和入坞控制算法

针对军事侦察和海洋环境监测领域中对自主水下航行器（AUV）水下自主回收能力的需求,研究了AUV自主回收过程中回坞和入坞的导引和控制问题。将水下自主回收过程分为回坞导引和入坞控制两个连续的阶段,其中回坞阶段采用经典的视线（LOS）导引法,使AUV到达回收器正前方的回坞航路点;入坞阶段则采用非线性横向跟踪控制方法,使AUV精确跟踪沿回收器中轴线的入坞直线航路航行并最终进入回收器。采用REMUS AUV的模型参数对水下回收进行了仿真研究,结果表明该方法是有效的,具有良好的工程应用前景。     

Distributed finite-time consensus tracking for nonlinear multi-agent systems with a time-varying reference state

This paper investigates the consensus tracking problem for nonlinear multi-agent systems with a time-varying reference state. The consensus reference is taken as a virtual leader, whose output is only its position information that is available to only a subset of a group of followers. The dynamics of each follower consists of two terms: nonlinear inherent dynamics and a simple communication protocol relying only on the position of its neighbours. In this paper, the consensus tracking problem is respectively considered under fixed and switching communication topologies. Some corresponding sufficient conditions are obtained to guarantee the states of followers can converge to the state of the virtual leader in finite time. Rigorous proofs are given by using graph theory, matrix theory, and Lyapunov theory. Simulations are presented to illustrate the theoretical analysis.     

Multi‐AUV motion planning for archeological site mapping and photogrammetric reconstruction

This paper presents coupled and decoupled multi‐autonomous underwater vehicle (AUV) motion planning approaches for maximizing information gain. The work is motivated by applications in which multiple AUVs are tasked with obtaining video footage for the photogrammetric reconstruction of underwater archeological sites. Each AUV is equipped with a video camera and side‐scan sonar. The side‐scan sonar is used to initially collect low‐resolution data to construct an information map of the site. Coupled and decoupled motion planning approaches with respect to this map are presented. Both planning methods seek to generate multi‐AUV trajectories that capture close‐up video footage of a site from a variety of different viewpoints, building on prior work in single‐AUV rapidly exploring random tree (RRT) motion planning. The coupled and decoupled planners are compared in simulation. In addition, the multiple AUV trajectories constructed by each planner were executed at archeological sites located off the coast of Malta, albeit by a single‐AUV due to limited resources. Specifically, each AUV trajectory for a plan was executed in sequence instead of simultaneously. Modifications are also made by both planners to a baseline RRT algorithm. The results of the paper present a number of trade‐offs between the two planning approaches and demonstrate a large improvement in map coverage efficiency and runtime.     

通信随机时滞条件下基于分布式模型预测的AUV编队控制

考虑水声通信随机时滞条件下AUV编队协同控制问题,提出一种基于分布式模型预测的AUV编队控制方法.首先,通过所设计的随机时滞通信同步策略,将异步状态信息转换为同步状态信息;然后,结合虚拟轨迹、状态预测、控制约束以及编队内AUV状态信息描述协同编队代价函数,将其引入局部滚动时域优化,实现编队控制目标,并利用李雅普诺夫理论验证编队控制器的稳定性;最后,将所提出方法与现有编队控制方法进行对比仿真,仿真结果验证了其有效性.     

Output feedback control design for station keeping of AUVs under shallow water wave disturbances

In this paper, we consider the problem of autonomous underwater vehicle (AUV) station keeping (SK) in shallow water area. During SK, an AUV is required to maintain position and orientation with respect to a fixed reference point at the sea floor. When AUV operates in shallow water, high‐frequency disturbances due to waves will significantly affect the motion of the AUV. In order to derive wave disturbance information for control purposes, a nonlinear observer is first designed to estimate the shallow water wave velocities and AUV relative velocities by using position and attitude measurement. Using the observer estimates, a nonlinear output feedback controller is subsequently synthesized by applying observer backstepping technique. Global exponential stability (GES) of the proposed nonlinear observer–controller design is proved through Lyapunov stability theory. Simulation studies on a model based on an actual AUV were performed to verify the performance of the proposed nonlinear observer and output feedback controller. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

2阶多智能体网络在切换拓扑下的群一致性

针对2阶多智能体网络的群一致性问题,提出了基于牵引控制方法的群一致性协议.考虑到网络模型具有切换拓扑结构,在模型中引入相应的虚拟领导者.对于网络中的每一个智能体,其一致性协议依赖于智能体邻居的状态及速度信息,并受到虚拟领导者的牵引控制;进一步地,来自虚拟领导者的牵引控制可以随时间发生变换.利用代数图论、线性矩阵不等式和李亚普诺夫稳定性理论,对网络进行群一致性分析,给出了切换拓扑下2阶多智能体网络达到群一致性的充分条件.最后,数值仿真验证了理论结果的有效性.     

多个水下机器人动态任务分配和路径规划的信度自组织算法

针对多个水下机器人(autonomous underwater vehicles,AUVs)动态任务分配和路径规划速度跳变问题,引入栅格信度函数概念,给出一种改进的栅格信度自组织(belief function self-organizing map,BFSOM)算法.目的是控制一组AUV有效地到达所有指定的目标位置,同时保证AUV能够自动的避开障碍物.首先,自组织神经网络(self-organizing map,SOM)算法对多AUV系统进行任务分配,使得每个目标位置都有一个AUV去访问.整个分配过程包括定义SOM神经网络的初始权值、获胜者选择、邻域函数的计算3个步骤;其次,根据栅格信度函数和环境信息更新SOM获胜神经元的权值,使得每个AUV在访问对应目标的过程中能够自动避障并且克服速度跳变,实现AUV自动有效路径规划.最后,通过仿真实验证明了本文提及算法的有效性.     

基于信息增益率的WNB水下机器人故障分类

提高故障诊断能力对于确保水下机器人系统的稳定运行具有重要意义,故障分类是目前水下机器人故障诊断所面临的一个重要问题。针对水下机器人推进器系统数据特征,提出一种基于信息增益率的加权朴素贝叶斯故障分类算法。首先,计算故障训练样本的先验概率,将各属性的信息增益率作为权值;其次,构建基于增益率加权的朴素贝叶斯分类模型;然后,对检测的故障数据利用分类模型获取具有最大后验概率的故障模式,实现故障分类。与朴素贝叶斯算法和决策树算法相比,仿真实验结果表明基于信息增益率加权的朴素贝叶斯算法的分类成功率更高,能够有效地实现水下机器人的故障分类。     

组合控制协议增强多智能体系统一致性

针对离散时间下基于切换拓扑多智能体系统一致性问题,设计出一种基于约束集虚拟邻居选取分布式一致性协议。该协议中,智能体采用通信扇区机制构造出虚拟邻居作为控制协议输入进行状态演化,并设计智能体调整因子的取值方式。在此基础上,智能体通过约束集保持初始通信拓扑的连接边来保证系统的连通性。最后,理论分析与大量仿真实例结合,与经典模型进行比较,验证了新的一致性协议的有效性,表明其可增强系统一致性,减少系统收敛的簇,并提高系统的一致性收敛速度。