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水下航行器编队运动规划与稳定性研究

杨燕  
【摘要】:多水下航行器编队观测是实现海洋长时续、大尺度监测的有效手段,编队观测获取的同时刻不同点的环境数据可极大的提高海洋环境模型的精度。水下航行器编队的运动规划与协调控制是实现多水下航行器编队观测的理论基础,同时也是海洋动态自适应监测网络构建理论的重要分支。本文针对复杂环境下的海洋监测和探测任务,对水下航行器编队的运动规划与协调稳定性进行了研究。通过在编队的个体之间建立势能场,将水下航行器编队系统视为一个多体系统,利用人工势能场和Kane方法实现了水下航行器编队系统的运动规划,并仿真验证了多质点模型编队系统的轨迹规划和多刚体模型编队系统的方位同步,同时利用能量方法分析了旋转刚体编队系统的稳定性。本文的主要研究成果和创新点如下: 根据水下航行器个体特征和海洋监测任务的特点,将水下航行器编队系统视为一个多刚体系统。通过在编队系统个体间建立间距势能场和方位势能场,形成了个体间的虚拟力约束,构建了水下航行器多刚体编队系统。 采用人工势能场与多体动力学方法实现水下航行器编队的运动规划。将水下航行器视为质点,可将水下航行器多刚体编队系统简化为“质点系编队”。采用主从式控制方法协调编队内的个体,并用Kane方法求解水下航行器编队系统的动态特性,实现水下航行器编队的运动规划。 基于人工势能场与多体动力学理论,建立了水下航行器编队系统的“多刚体系统”动力学模型。在此模型的基础上,完成了忽略移动自由度即仅考虑转动自由度的“旋转刚体编队”的协调仿真。 针对旋转刚体组成的编队,提出了一种基于能量观点的镇定控制器设计方法,通过反馈赋予编队新的能量函数,并使其保持系统的拉格朗日结构;利用能量方法证明了旋转刚体编队系统的稳定性。


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