异构AUV编队系统分布式控制研究
摘要
近年来，我国海洋事业在蓬勃发展，海洋装备技术也在不断革新。自主式水下航
行器(AutonomousUnderwaterVehicle，AUV)作为海洋探测、作业领域的重要装备，由
于其自主性强，经济性好等特点，在海洋资源勘探、水下结构检测、海洋救援、海床
绘制等方面受到广泛的关注。而单个AUV携带的作业装备有限，不利于大范围长时
间的开展任务，且在遭遇恶劣海况后易发生损坏导致失能，因此令机器人以编队的方
式巡航与作业可以大大提升系统的效益与鲁棒性。对编队内分布式算法、通信和规划
等多个领域的深入研究可以促进不同学科的交叉融合和创新。本论文通过分析现有
AUV编队领域的研究难点与热点问题，对AUV编队的包含控制问题进行深入研究，
并更进一步地将研究拓展到异构AUV编队领域。本文的研究主要包含以下几个方面：
(1)考虑干扰与推进器故障的多AUV约束包含控制方法研究。在传统BLF基础
上，构造了一种tan型BLF对轨迹包含误差进行约束。在设计控制律时考虑输入饱和
的影响，利用光滑函数提前对系统控制输入进行处理，并考虑推进器部分失效的情况，
设计包含控制算法。通过Lyapunov稳定性分析原理证明编队系统可以渐近稳定。最后
对AUV编队模型进行建模，通过数值仿真实验模拟了附加推进器故障的情况，并验
证了设计控制算法的有效性。
(2)存在未知控制方向的多AUV编队分布式状态约束包含控制方法研究。对系统
内高阶状态量的约束有利于提升系统的瞬态响应性能，故采用tan型BLF技术同时对
编队中轨迹状态误差量与速度状态误差量进行约束。设计神经网络对系统的不确定性
与外界干扰进行估计，并设计改进的自适应律，解决神经网络数据量大导致运行缓慢
的问题。构建了一种辅助变量系统，完成了对输入饱和情况的补偿。通过Nussbaum函
数理论，解决了编队中AUV由于突发状况导致未知控制方向问题，使其在不确定的
控制方向下依然能够保持稳定，实现良好的控制效果。通过Nussbaum函数引理与
Lyapunov稳定性理论，证明了设计的控制方法可以实现编队系统的包含控制，且包含
误差可以收敛到零的小邻域内。最后，数值仿真结果验证了该控制算法的有效性。
(3)考虑通信延迟与事件触发的异构AUV编队控制方法研究。分析通信延迟的产
生原因与表现形式，通过自适应技术对通信延迟造成的系统状态的改变进行估计。由
此构造滑模函数，并设计针对性的滑模控制算法对时延进行补偿，从而解决了存在固
定通信延迟的分布式轨迹跟踪控制问题。为了进一步减轻异构编队通信设备的负担，
哈尔滨工程大学硕士学位论文
考虑事件触发机制，重新定义了一种测量误差，并且设计了一种触发式的积分滑模控
制策略，以事件触发的方式进行控制输出的更新。最后利用Lyapunov-Krasovskii函数
稳定性理论完成了证明。两种算法均可以实现异构AUV编队的跟踪控制。
关键词：异构AUV编队系统；未知控制方向；状态约束；通信延迟与事件触发机制
异构AUV编队系统分布式控制研究
ABSTRACT
Inrecentyears,ourmarineindustryhasbeendevelopingcontinuously,andtheMarine
equipmenttechnologyisalsoconstantlyinnovating.AutonomousUnderwaterVehicle(AUV)
isimportantequipmentinthefieldofmarineexplorationandoperation.Duetothe
characteristicsofstrongautonomyandgoodeconomy,ithasreceivedextensiveattentionin
marineresourceexploration