移动式水下观测网络的队形控制

摘要

移动式水下观测网络是以多个水下机器人为节点通过水声通信无线连接而成的自组织网络，其网络拓扑结构可以随机器人移动而改变以适应观测区域内的环境或目标的变化，从而获得比静态传感网络更精确的观测信息。移动式水下观测网络本质上是一个多机器人系统。其主要研究内容有：动力学建模、协调导航、队形控制以及覆盖控制等。本文的工作即是研究适用于变通讯拓扑的移动式水下观测网络队形控制。 论文首先简要介绍了移动式水下观测网络的基本概念和多机器人系统的相关理论基础；并对多机器人系统的队形控制研究现状进行了综述，分析了各自的优劣；简单介绍了图论和矩阵分析的相关数学基础。其后详细介绍了Fax的基于图论的信息流队形控制方法中有关稳定性的部分，指出了其局限性。 其次，将变通讯拓扑的多机器人系统视做线性时变系统，提出了有关队形稳定性的三个充分性定理，以及应用这些定理进行队形控制器设计的设计方法。并用二维质点系统进行了仿真试验，验证了设计方法的有效性。为更接近实际情况，还考虑了路径控制器和避碰控制器的设计以实现障碍规避，并用仿真验证了有效性。其中，考虑到变拓扑网络在时间上的分段定常特点，提出了一个有益的结论，弱化了稳定性定理的条件，降低了保守性。 最后，论文用真实AUV模型进行了移动式水下机器人的队形控制仿真。首先为单AUV设计了具有双闭环结构的位置控制器，再应用文中提出的队形控制方法设计了队形控制器。仿真结果表明队形得到了很好的控制，达到了预期目标。