多水下机器人的队形控制方法研究

本文采用跟随领航者法研究多水下机器人(Unmanned Underwater Vehicles, UUVs)的队形控制，研究内容主要包括三个方面：设计基于运动学模型的多UUVs队形控制器；将该队形控制器结合机器人的动力学特性研究队形控制问题；研究领航者避碰算法以及多UUVs群体的队形变换策略。 跟随领航者法根本的问题是研究领航者与任意一个跟随者之间的协调问题，因此本文将复杂的多UUVs系统简化为若干组两个UUVs组成的基本队形模型。为了避免出现极坐标系下不可预见的奇异点，我们提出在UUV载体坐标系下建立运动学模型，实现与UUV动力学坐标系的统一。将该模型转化为误差动力学模型之后，经过输入输出反馈线性化，得出基于运动学模型的队形控制律。将该控制律应用到多UUV的队形控制问题中，则每个跟随者与领航者之间都具有协调，跟随者之间互相独立。 上述队形控制器中UUV具有无限快的速度跟踪能力，而实际上UUV不具备这样的能力，因此在队形控制器的设计过程中应结合UUV的动力学特性，使得对多UUVs队形控制问题的分析和设计更接近实际。本文以基本队形模型为研究对象，结合实际载体的动力学特性，研究队形控制器。 在未知的海洋环境中，当多UUVs系统检测到障碍物时，本文所采用的策略是：领航者采用基于模糊逻辑的避碰控制算法，顺利地通过障碍物区域；同时，领航者依据其艏部的避碰声纳信息，发出变换队形的指令。该策略使得领航者在引领跟随者顺利通过障碍物区域的同时，又不影响领航者与跟随者之间的协调。 在变换队形的过程中，存在着UUV之间发生碰撞的隐患，本文提出了就近原则：领航者左侧的UUV依然在左侧或中间，右侧的依然在右侧或中间。 本文分别利用了MATLAB仿真平台和多UUVs数字仿真平台，验证了以上各方法的有效性。由于多UUVs数字仿真平台中的控制参数、水动力系数、传感器参数均源自于实际的载体和历次湖试、海试的试验数据，UUV之间的通信信道是基于实际的水声通信模型，因此该平台上的仿真结果可以证明上述方法具有实际可行性。