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东北大学郭戈教授等：基于扰动观测器的AUVs固定时间编队控制

已有 3426 次阅读 2019-7-19 17:18 |系统分类:博客资讯

自主水下航行器编队控制是指：航行器编队系统在资源配置和运行条件一定的情况下，在保证安全的约束下，通过自主协调两个或两个以上航行器，协同一致地完成某一目标的过程或能力。

自主编队是新一代航行器的发展趋势。目前，大多数航行器都基于反步法或动态面法的方式来进行控制，得到渐进稳定或者一致最终有界。然而，随着控制理论的发展，特别是考虑到用户需求，以上控制方法已经无法满足新的任务要求。例如：

1) 深海探测：距离远、延时大、运行环境复杂；

2) 民用航天：用户广、及时性与可靠性要求高；

3) 军事应用：战时能够严格按照时间要求实现编队控制；

……

面对这些任务，当前控制算法难以满足实时性和安全性要求，因此亟需提升航行器的安全自主运行能力。

要实现安全自主运行，航行器必须具备自主抗扰与自主控制的能力。扰动是妨碍航行器精确运行的一大因素，由其引发的控制失效屡见不鲜，这是在实际发展过程中面临的严峻问题。航行器所处的深海环境十分恶劣，风、浪、洋流等外界因素及航行器自身的强耦合、非线性等特性都会给航行器带来麻烦甚至是致命的伤害。此外，随着功能的多样化，航天器的规模复杂度日益增加，这也大大提高了因扰动引起控制失效发生的概率。因此，必须提高航行器的自主抗扰与自主控制能力。

如何提高航行器的编队精度与编队速度？目前，针对扰动问题主要通过扰动观测器与自适应技术来实现。然而，当前的扰动观测器及自适应技术只能提升航行器的抗扰能力，无法完全应对扰动因素影响。水下航行器有别于一般的系统：一方面，受运行条件的限制，它无法像水面航行器一样进行定期的保养与维护，也无法在故障以后进行直接的维修；另一方面，受运载能力的限制，它的可用资源严重受限（包括计算资源、硬件资源以及能量资源），很多先进的抗扰与控制算法无法实现。因此，需要在资源有限且运行环境恶略条件下，从根本上提升航行器自主抗扰与自主控制的能力，将工作重点转移至提高系统抗扰精度及控制器设计阶段。针对受外界环境及自有动态不确定影响的航行器控制系统进行抗扰与自主控制设计，可以提高系统控制精度，从系统层面提高航行器固有可靠性不足、资源受限以及收敛速度低等缺陷，是从根本上提高航行器控制系统抗扰及自主控制的一种有效途径。具体的优势可以概括如下：

1) 提高扰动识别：增强航行器的控制精度；

2) 提高系统收敛：增强航行器的运用范围；

3) 降低算法难度：节约航行器的计算资源；

4) 降低冗余设计：减轻航行器的运载压力。

目前，关于航行器控制系统收敛率的研究才刚刚起步，相关的概念内涵还比较模糊。鉴于此，本文结合航行器控制系统的固有特点，从抗扰、收敛率、应用范围、以及计算量等方面出发，对航行器控制系统进行了深入研究。首先，将模型参数不确定及海洋扰动看作复合扰动，设计扰动观测器，实现固定时间内对扰动的精确估计。基于扰动观测器，指令滤波技术、固定时间理论及虚拟轨迹概念，设计编队控制律，实现编队目标，并保证闭环系统中的所有信号是全局固定时间稳定的。