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基于声观通的AUV三维编队控制方法研究

任牧青  
【摘要】:多自主水下航行器系统(Multiple Autonomous Underwater Vehicles System)是当前AUV研究的热点,同时也是AUV技术重要的发展方向之一。具有编队航行的能力是多AUV相互协作的基本条件。本文正是针对这一问题,研究了基于声通信和声观测的多AUV三维编队控制方法。本文的研究内容主要包括以下几个方面: 首先,在研究多AUV编队系统控制体系结构分类的基础上提出了一种分层式的多AUV编队控制系统体系结构。将整个系统分为协调层、控制层以及感知与执行层。分析了系统中各层的功能并对多AUV系统中单AUV的相关部分进行了建模。 其次,建立了通信距离约束下的多AUV编队控制方法的数学模型。提出了一种结合领航-跟随法的人工势场三维编队控制方法,特别针对水声环境建立了多波束前视声纳的视域模型和最大水声通信距离模型。 再次,针对多AUV的通信问题建立了一种无线电信道下广泛应用的动态源路由协议模型,并详细分析了该协议的整个过程。在此基础上总结了该协议的优势与应用到水声环境中暴露出的若干问题。在建立水声通信误码率模型以及分组数据传输成功率模型的基础上对该协议进行了改进。改进后的协议采用基于传输可靠性的路由选择方式,大大提高了水声环境下通信的可靠性。之后通过两种协议仿真结果的对比验证了改进后的协议在水声网络中所具有的优势。 最后,对于本文所提出的编队控制方法进行了仿真验证。仿真结果表明,本文所提出的编队控制方法能够使多个AUV有效的进行队形的保持,并能够快速的完成任意队形的变换。在三维有障环境中,AUV群体能够在避开环境中障碍物的同时有效的防止AUV之间发生碰撞。另外还特别针对多AUV编队系统的应用设计了观测任务的仿真案例。从仿真结果可以看出该编队控制方法能够使AUV编队系统具有完成各种观测任务的能力。在考虑通信失败的情况下比较了改进前后两种通信协议下的编队控制效果,仿真结果表明改进后的路由协议能够有效的增大编队范围。


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