分布式多AUV協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究.pdf

1、進(jìn)入21世紀(jì)之后,海洋觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)備受矚目。其中,固定式海底觀測(cè)網(wǎng)用通訊光纜和供電電纜將分布于海底的多個(gè)海底觀測(cè)站連接成網(wǎng)絡(luò),并最終與全球互聯(lián)網(wǎng)相連,它的能源來(lái)自于岸邊基站的輸送,可以長(zhǎng)期連續(xù)地對(duì)海底進(jìn)行觀測(cè)。移動(dòng)式水下觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)則是依靠水聲通訊無(wú)線鏈接多個(gè)觀測(cè)型水下機(jī)器人的自組織網(wǎng)絡(luò),工作時(shí)間受制于水下機(jī)器人的電池容量,但由于其可移動(dòng)的特點(diǎn),在靈活性和容錯(cuò)能力上比固定式的海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)更具優(yōu)勢(shì)。
　　 作為移動(dòng)式水下觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)

2、探測(cè)節(jié)點(diǎn)的自主水下機(jī)器人(簡(jiǎn)稱AUV),自帶能源,自主作業(yè),可以攜帶相應(yīng)設(shè)備對(duì)海洋進(jìn)行自由觀測(cè)。網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)AUV以一定的結(jié)構(gòu)體系有機(jī)地組成一個(gè)整體,通過(guò)一定的協(xié)作策略,相互協(xié)調(diào)與合作,從而提高工作效率,完成更復(fù)雜的任務(wù)。
　　 與已經(jīng)得到廣泛研究的陸基移動(dòng)式傳感網(wǎng)絡(luò)相比,水下觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)與其有著很大的差異。一方面,由于水下環(huán)境的復(fù)雜與不確定性,觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的工作區(qū)域一般具有未知和非自由等特點(diǎn)；另一方面,由于采用水聲通信的方式,其通信距

3、離受到限制且通訊延遲不可忽略,往往不能實(shí)現(xiàn)全局通信,而是采用局限通信的通信連接方式。因此,在水下觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)中,機(jī)器人之間往往是分布式的結(jié)構(gòu)體系,每個(gè)機(jī)器人對(duì)自身以及處于通信范圍內(nèi)的機(jī)器人的信息進(jìn)行分析和判斷,進(jìn)而決定自己的行為。
　　 本文對(duì)多AUV的協(xié)調(diào)控制技術(shù)進(jìn)行了研究,使其能更接近水下實(shí)際工作環(huán)境進(jìn)行作業(yè),主要研究?jī)?nèi)容和成果包括:
　　 1.關(guān)于多AUV隊(duì)形控制的研究
　　 目前,研究得比較多的分布式隊(duì)形控制

4、方法是基于圖論的隊(duì)形控制方法。在已有的研究中,其研究對(duì)象往往是具有固定通訊拓?fù)浠蛲ㄓ嵧負(fù)涫冀K屬于某個(gè)集合的多AUV系統(tǒng)。也即,在某一時(shí)刻機(jī)器人之間的通訊狀態(tài)是固定并且已知的。
　　 對(duì)于移動(dòng)式水下觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)而言,由于水聲通信存在通訊范圍限制,移動(dòng)過(guò)程中作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的AUV的位置的不斷變化會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人之間通訊狀態(tài)的改變。即,原本可以互相通訊的兩個(gè)機(jī)器人,由于距離的拉大,斷開(kāi)了通訊連接；而原本斷開(kāi)的兩個(gè)機(jī)器人,由于距離的縮小,進(jìn)入了彼

5、此的通訊范圍,建立起了通訊關(guān)系,這種通訊狀態(tài)的改變是隨著運(yùn)動(dòng)過(guò)程發(fā)生并且不可預(yù)知的。因此,移動(dòng)式水下觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的通訊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有時(shí)變的特性,而這一時(shí)變性會(huì)導(dǎo)致基于固定拓?fù)湓O(shè)計(jì)的分布式隊(duì)形控制系統(tǒng)失穩(wěn),進(jìn)而導(dǎo)致隊(duì)形失穩(wěn),影響移動(dòng)探測(cè)任務(wù)的完成。
　　 為解決這一問(wèn)題,首先通過(guò)時(shí)變的Laplacian矩陣將多AUV系統(tǒng)變通訊拓?fù)涞奶攸c(diǎn)引入計(jì)算分析中,在此基礎(chǔ)上將變通訊拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的隊(duì)形鎮(zhèn)定問(wèn)題轉(zhuǎn)化為線性時(shí)變系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問(wèn)題。在對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行

6、計(jì)算分析的過(guò)程中,提出了關(guān)于Laplacian矩陣最大奇異值的一個(gè)定理,并最終得到了變通訊拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)隊(duì)形鎮(zhèn)定的充分條件。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)出隊(duì)形控制器,從而解決了保持連通的任意通訊拓?fù)涞姆植际疥?duì)形控制的問(wèn)題。
　　 新的控制方法更符合水下觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的工作環(huán)境,使得水下觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的隊(duì)形控制朝著實(shí)際應(yīng)用又邁進(jìn)了一步。
　　 2.關(guān)于多AUV覆蓋控制的研究
　　 移動(dòng)傳感網(wǎng)絡(luò)的覆蓋控制旨在使各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)自動(dòng)布放到特定位置,以

7、實(shí)現(xiàn)對(duì)特定區(qū)域的最優(yōu)覆蓋,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該區(qū)域的最佳探測(cè)。關(guān)于區(qū)域優(yōu)化的問(wèn)題,目前已有的算法中很大部分基于的是集中式的控制結(jié)構(gòu)體系,依賴于主控計(jì)算機(jī)的計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)的全局通信,因而只能用于對(duì)小范圍固定區(qū)域的覆蓋。這樣的覆蓋控制方法不適用于基于局限通信具有分布式結(jié)構(gòu)體系的移動(dòng)傳感網(wǎng)絡(luò)。近幾年,研究者們開(kāi)始將基于CVT分布的一種空間優(yōu)化方式應(yīng)用到覆蓋控制中。結(jié)合了計(jì)算幾何中的CVT(Centroidal Voronoi ressellations)

8、理論和量子理論中的Lloyd遞降算法的覆蓋控制方法,是一種兼顧布放位置的確定和能量損耗優(yōu)化的控制方法,可以用于移動(dòng)傳感網(wǎng)絡(luò)的分布式優(yōu)化覆蓋。
　　 基于CVT理論的控制方法可以通過(guò)對(duì)密度函數(shù)的設(shè)定來(lái)控制AUV分布到期望的位置。然而在對(duì)多AUV進(jìn)行覆蓋控制時(shí),發(fā)現(xiàn)機(jī)器人最終的分布范圍有時(shí)會(huì)與期望值有較大差距,尤其當(dāng)機(jī)器人個(gè)數(shù)較少時(shí),這一差距非常明顯。環(huán)形分布是一種常見(jiàn)的分布形狀,我們以環(huán)形密度函數(shù)為例,對(duì)此進(jìn)行了計(jì)算分析,發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)

9、有的基于CVT的覆蓋控制方法存在的缺陷及其影響因素:即當(dāng)機(jī)器人數(shù)量較少時(shí),存在明顯的覆蓋誤差,對(duì)這一誤差產(chǎn)生影響的因素是機(jī)器人的個(gè)數(shù)多少。由此,將機(jī)器人的個(gè)數(shù)作為參數(shù)引入到密度函數(shù)中,通過(guò)對(duì)密度函數(shù)的修正,消除了機(jī)器人個(gè)數(shù)對(duì)覆蓋范圍尺寸的影響,大大提高了覆蓋精度
　　 隨后,以簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)的機(jī)器人為例,在Simulink仿真平臺(tái)上分別以修正前和修正后的密度函數(shù),對(duì)不同數(shù)目的AUV組成的系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證和比較。在仿真過(guò)程中,對(duì)密度

10、函數(shù)的半徑進(jìn)行了歸一化處理,一方面有利于對(duì)不同覆蓋半徑的密度函數(shù)選取統(tǒng)一的懲罰系數(shù),另一方面,便于統(tǒng)一解決在密度函數(shù)過(guò)小區(qū)域,計(jì)算機(jī)無(wú)法直接通過(guò)質(zhì)心公式來(lái)計(jì)算質(zhì)心的問(wèn)題。仿真結(jié)果證明,該方案可以修正由機(jī)器人個(gè)數(shù)帶來(lái)的布放精度上的誤差,大大提高了現(xiàn)有CVT覆蓋控制方法的覆蓋精度。
　　 3.非線性系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的仿真驗(yàn)證
　　 實(shí)際工作中,水下機(jī)器人系統(tǒng)屬于非線性時(shí)變系統(tǒng),文中給出的隊(duì)形控制器和覆蓋控制器是基于質(zhì)點(diǎn)AUV設(shè)計(jì)

11、的。在巡航狀態(tài)下水下機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型是可以用線性化模型來(lái)取代的,也即可以直接使用基于質(zhì)點(diǎn)設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)控制器。而在非巡航狀態(tài)下,我們采取了分層控制策略,由基于質(zhì)點(diǎn)的協(xié)調(diào)控制器規(guī)劃出AUV的位置和艏向等指令以供水下機(jī)器人底層控制系統(tǒng)來(lái)跟蹤。
　　 在分層控制中,頂層采用基于質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)的協(xié)調(diào)控制器,對(duì)簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)的AUV進(jìn)行路徑規(guī)劃；底層則采用水平面運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)由頂層控制器規(guī)劃出的路徑進(jìn)行響應(yīng)。在水平面運(yùn)動(dòng)控制器中,采用反饋線性化方法,

12、選取適當(dāng)?shù)姆答伮?將系統(tǒng)的非線性的動(dòng)態(tài)特性轉(zhuǎn)化為線性動(dòng)態(tài)特性。控制器的輸入是頂層控制器規(guī)劃出的AUV的路徑和艏向,輸出則是AUV水平面運(yùn)動(dòng)的控制力和力矩,從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)AUV之間的協(xié)調(diào)控制。
　　 最后,對(duì)多AUV系統(tǒng)進(jìn)行了變通訊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的隊(duì)形控制和修正前后基于CVF理論的覆蓋控制的仿真。在仿真中,通過(guò)選取適當(dāng)?shù)膮?shù),一方面保證頂層控制器的穩(wěn)定性,另一方面限制頂層控制器規(guī)劃出的AUV的位置變化速度,以防止出現(xiàn)底層控制器來(lái)不及響應(yīng)的