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水下滑翔机编队协调控制与不确定性研究

薛冬阳  
【摘要】:海洋科学研究与资源开发是国家重大发展战略,海洋装备是实现国家战略的关键技术途径。水下滑翔机作为一种新型的自主观测平台,具有低能耗、长航程、易布放回收、开发运行成本低等优势,能够满足长时序、大范围海洋探测的需求,是当前性价比最高的移动式海洋观测装备之一。多水下滑翔机组成的编队,可以完成单机不能完成的任务,可充分发挥优越的高时空分辨率观测能力,将在海洋环境立体观测网中发挥不可替代的作用。本文针对水下滑翔机编队协调控制以及任务过程中的不确定性问题展开研究。基于多体力学和人工势能场法,实现编队运动协调以及姿态协同控制。讨论和分析编队执行任务过程中的不确定因素对编队轨迹和任务质量的影响,同时基于不确定性分析方法对编队任务设计进行指导。本文的主要研究成果和创新点包括:(1)设计了一种基于多体力学分析方法的多层级运动协调控制结构。针对水下滑翔机自主感知、自主控制、近实时通讯以及运动耦合等工作特点,设计了滑翔机编队任务控制系统。基于多体系统分析方法,采用人工势能场法进行二维轨迹运动规划,同时实现轨迹跟踪和下潜深度控制。采用Huston多体系统分析方法,在滑翔机间构造姿态势能场,对编队姿态协调控制进行研究。通过数值分析和水域试验,证明了该方法的可行性。(2)提出了一种降低能耗为目标的混合驱动滑翔机运动优化控制策略。对滑翔机单纯滑翔模式和混合滑翔模式的能耗进行分析,建立了混合驱动水下滑翔机工作能耗模型。对海流进行估计,并根据滑翔机的运动模式和穿流能力,设计了航向角控制方案。提出了以能耗最小为目标的LEC(Least Energy Consumption)优化控制策略。以Petrel-II水下滑翔机为研究案例,进行仿真研究,分析并总结出能耗变化规律。于南海编队试验中,实现了能耗优化控制。(3)提出了一种基于统计学分析法的滑翔机编队不确定性分析方法。基于协调控制模型,通过蒙特卡洛抽样法分别对海流不确定性因素和传感器不确定性因素进行仿真分析。同时,基于傅里叶幅值灵敏度检验扩展法(EFAST)进行多不确定性参数全局灵敏度分析,并基于概率可靠性对编队滑翔机任务布放台数进行了优化设计计算。


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