英语原文共 12 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
自主式形成控制水下航行器：概述
摘要：形成控制是部署多台自主水下航行器的协同控制理念用于组织运动和/或控制任务。本文简要介绍了各种合作搜索和形成控制根据迄今报道的文献报道，多台自主水下航行器（AUV）的战略。各种合作和形成讨论了基于地层调节控制和地层跟踪控制收集大量数据的控制方案。为了解决舰队检测AUV故障的挑战，还采取沟通问题，碰撞和避障注意力还提出了可行形成的稳定性分析。本文可能意在作为一种方便参考了多个水下航行器的地层控制的进一步研究。
关键词：自主水下航行器（AUV），合作控制，地层控制，跟踪控制，监管控制。
1介绍
自主水下航行器（AUV）是配备电力的潜水式水下航行器供应并由板载计算机控制执行任务AUV是紧凑，独立和水下直流（DC）动力推力的低阻力轮廓工艺[1]。 AUV配备传感器测量温度，盐度和污染物浓度。水下矢量磁场产生AUV如图1所示。 AUV的运动控制可以是不同类型的，如基于导航，路径跟踪和形成[2]。 AUV由可充电电池（例如锂聚合物，镍金属氢化物，锂）供电离子，铝基半燃料电池等），取决于运动计划长度收集任务数据，各种各样传感器用于例如罗盘，深度传感器，侧面扫描声纳，磁力计，加速度计，陀螺仪，热敏电阻，多普勒速度记录（DVL）和电导率探针[3]。
部署了一批自主水下航行器，用于集体运动和/或控制任务，用于诸如天然气管道检查等重要活动石油工业，海洋观测，测深调查，军事用途，人造物品的回收，高分辨率海底检测，测绘，商业调查和海底矿区中和。至顺利完成合作运动，形成控制被认为是重要的合作控制范式[4]。
“自主”一词是指分配的执行任务没有任何外部人的指挥。 AUVs也被称为无人水下航行器（UUV）和远程操作的水下航行器（ROV）取决于对他们的控制权。这意味着UUV是自主的，而非自主的远程操作的水下航行器控制和动力操作员的表面被称为ROV。基于在控制结构上，AUV有两种类型，完全致动系统和致动系统[5]。控制法通过使用控制分配图来开发完全致动系统。在一个欠驱动系统下挑战制定控制法与确保系统稳定。对于这两种情况，都有必要显示外部干扰控制结构的鲁棒性和适应性。形成控制是一种水下航行器研究课题重点关注控制AUV的相对位置，速度和方向在一组中移动它的目的是完成任务海洋环境的绘图，勘探，监测，海洋作战数据采集，安全巡逻和自主导航信息[6]。通过加强来提高实现任务的鲁棒性和效率重构能力和结构灵活性。在军事任务中，一组自主的水下航行器需要保留指定的地区覆盖和勘探[7]。在许多应用中，一组AUV旨在遵循预定义的轨迹保持所需的空间格局。由于不确定性在声波介质中的波动干扰和通信约束的AUV动力学中，很难控制AUV [8,9]。地层控制的思想来自于自然界生物的群众行为，鸟类，水中的鱼类，野兽群和细菌菌落[10]。观察形成时，发现它们移动时作为一个团队，他们必须避免相互碰撞共同的平均标题。每个AUV都有一个本地的控制策略，走向平均目标邻近装置的转向避免拥挤，走向其的平均位置，实现对齐，分离和凝聚力[11]。使用水下航行器1960年初的数据收集和转移1970年，名为鱼雷的第一个AUV被开发出来仅用于美国的测试目的[12]。 20世纪80年代中期，实施了AUV的理论发展在实践中。商业化与发展在理论和实践发展中，多个AUV的协同运动控制实现于1980年直到这个日期，如图2所示。
地层控制问题考虑以下典型方面：可行地层分配，维护的地层形状和地层之间的切换。地层控制可分为地层调控控制和形成跟踪控制[14]。形成a一组AUV称为形成刚性的地层由于在整个运动期间存在障碍，结构保持固定或灵活，这被称为地层调节控制[15]。为了保持一群AUV在按照所需轨迹进行组合后，每个AUV需要与其邻居进行通信。这个类型的形成被称为地层跟踪控制[16-18]。为了实现多个AUV的成功控制，应该遵循以下步骤，如选择适当的AUV模型（运动学和动力学）留在阵容组，监管/轨迹协调策略[19-21]。 AUV和/或一组AUV形成或合作，对安全巡逻，搜救等不同应用起着重要的作用在危险环境中[14,17,20]。在军事任务中自主式水下航行器群体需要保留指定的形成区域覆盖和侦察。在小聚集，形成有助于降低燃料消耗用于推动并扩大其感测能力。的跟踪路径是沿着强制AUV的方法期望的或预定义的路径，没有任何时间限制。通过这种方法，AUV从一个起始点开始确定方向到达目的地点。有时，可以根据必要的自由度和方向来避免对方向的控制仅由计划者方向控制[16]。在里面位置控制问题的情况下，AUV被引导以与期望的期望位置合并路径。但在速度控制的问题上，前进速度被迫到所需的速度。
实现多个成功的合作控制AUVs，AUVs选择先决条件留在形成组，轨迹[17]。基于上述，协调控制有两种：1）多个AUV的形成控制，2）多个植树控制AUVs。形成控制是一个重要的研究课题的最近几个领域的合作控制[14]。地层控制被称为控制组中AUV的相对位置和方向的问题，同时允许组移动整体如图1所示。形成控制包括以下步骤：1）可行地层分配，2）保持地层形状移动形成，3）在地层之间切换。
植树是一群鸟的飞行行为，是生活的集体行为，如教育鱼类，鸟群，昆虫群，细菌群和动物群等。这可适用于一组多个AUV的设计控制算法，执行如图1所示的所需任务。4.植绒控制的多个AUV类似于地层控制唯一的区别是AUV之间的距离没有约束[18-20]。在形成控制的情况下AUV之间的距离总是固定的。 我们的研究工作只关注多个AUV的地层控制。
合作控制可分为地层控制和植绒控制。以下路径是该方法在没有任何时间限制的情况下沿着期望的预定义路径强制AUV。可以实现植绒控制通过一组多个AUV来执行期望的任务。形成控制具有广泛的应用，因此被认为占据了主动研究课题的位置近几年实现地层控制的步骤是：1）可行地层的分配，2）移入形成，3）维护形成形状，4）切换在地层之间。规定了形成的定义有三种不同的方式。方法可能意在实现刚刚的形成[10]，或者实现了柔性的形成平面[22]。在地层控制中，假设每个AUV通过本地传感器可以获得信息形成。在轨迹跟踪问题的情况下，跟随者AUV被迫合并时间参数化的几何路径。控制律是根据设计的到期望的几何路径的时间变化[22]。设计欠载车辆形成控制规律的难度很大。轨迹跟踪方法提供更好的携带性能与其他路径相比时间控制信息形成问题。在虚拟结构中，整个形成被视为一个实体。开发的控制方法是强制AUV的一组行为刚性地层。在虚拟结构方法中，控制法律分为三个步骤[23]。也是AUV要形成的时间要比那个时间少轨迹跟踪问题。
基于行为的方法的基本原则是，每个AUV由称为电机的基本结构组成模式[24]。电动机模式产生其相应的期望行为。一些电机模式是避免碰撞，形成形状和目标寻求。在形成控制中，基于行为的方法和潜力各种应用都考虑了现场方法[25-27]。通过调整产生AUV的控制输入使用优化技术。在[23]中，虚拟结构方法结合领导者跟随方法和行为方法来形成控制。在这种方法中，从所需的路径导出独立的路径每个AUV [28]。这种方法背后的方法要求必须按照各自所需的路径实现AUV的协调[29,30]。换一种说法，可以说存在速度和加速度每个派生路径的约束[31]。
这个领域只包含几篇论文到2014年的地层控制讨论根据上述标准，本文的贡献为如下。本文列举了对多个AUV的地层控制的广泛审查。这个的目标论文如下。
1）关于AUV系统模型的详细说明讨论了地面固定框架的六自由度（DOF）。
2）多层次地层控制的同行评议基于监管和跟踪控制技术的AUV简要解释，稳定性分析也是提出[32-37]。
3）还讨论了地层控制的各种挑战和应用。
本文的组织结构如下。第2节描述AUV的运动学和动力学。第3节给出问题制定。有关地层控制协调策略的详细描述如下第4节第5节解释了各种挑战和地层失效问题。第6节描述了地层控制的稳定性分析。第7节讨论各种各样的地层控制应用。第8节介绍本文的结论。
2 AUV动态
考虑AUV的原理图，如图所示在图1中。 数学模型（非线性方程在六个自由度的波动干扰的影响下，相同AUV的运动）可以被描述为[1, 18 – 20].
对于多个AUV，i = 1,2,3，...，N，eta;i= [eta;1i，eta;2i] T是第i个AUV的位置和方向向量惯性框架，eta;1i= [xi，yi，zi] T是坐标位置和eta;2i= [phi;i，theta;i，psi;i] T分别是纵向，横向和垂直轴的方向。vi = [v1i，v2i] T是具有坐标的速度矢量在体固定框架中，v1i = [ui，vi，wi] T表示线性速度，v2i = [pi，qi，ri] T是角速度。
是到第i个AUV的控制输入tau;1i=[Xi，Yi，Zi] T次方表示外力，tau;2i=
[Ki，Mi，Ni] T次方表示作用的外力的力矩在AUV上分别用于平移和旋转运动。 J（eta;）是非奇异变换矩阵，用于从身体固定框架到地球的转换固定框架[1]。 给出了AUV的惯性质量矩阵通过
科里奥利和向心矩阵由下式给出
阻尼矩阵包括添加的质量矩阵[1]
恢复力和力矩矢量由[1]
其中W是淹没重量，B是浮力每个相同AUV的力[1]。 rG = [xG，yG，zG] T是
AUV的重心距离与原点的距离的身体固定框架和rB = [xB，yB，zB] T是AUV浮力中心与原点之间的距离身体固定框架。 AUV的旋转矩阵可以表达为[1]
3问题陈述
控制协调问题涉及到的研究位置，路径规划和协调定义通信拓扑在空间和时间分别。 它假设共同的速度和位置信号必须在高的帮助下，向所有的AUV提供液位传感器。 除了上述之外，水下声学信道受到长传播延迟的影响声信号，路径损耗，噪声，多径衰落，多普勒传播和高错误概率。 各种控制讨论了让追随者AUV进行的策略跟随领导者，如图1所示。 地层控制被称为控制相对位置的问题和机器人在一个组中的方向，同时允许集团移动整体。 所需信息领导AUV的路径应该被追随者所知AUV在领导和领导方面跟随领导者。 在不可靠的水下网络情况下提供全面的观察通信协议，具有节能可靠的数据传输非常具有挑战性时间关键的应用程序，如协调。 影响地层控制的因素有：1）可行地层控制策略的分配，2）地层移动在障碍物丰富的环境中存在，3）维护形成形状充分观察通讯，4）地层之间切换。
4地层控制分类
AUVs通常，AUV的形成可以被分类为路径规划，路径跟踪和路径跟踪[7,19,38]。 AUV的形成控制可以是静态的或动态的，这取决于一些调节，而达到目标点，形成结构穿过一个特定的路径称为地层跟踪控制。 根据以上分类，一些地层控制技术被列举到如图7所示。
以下技术是一些应用于水下系统的广泛使用的地层控制，如海洋环境的绘图，勘探，监测，数据收集海洋作战和港口安全，[39,40]。 对于这两种情况，如形成规定控制和跟踪控制，有必要显示控制结构的鲁棒性和适应性，如图8所示。
4.1形成调节控制
需要在a中保持特定的形状形成[39]。了解控制问题至关重要在多个AUV处于协同运动时的监管控制。下面给出了控制调节的不同技术，并进行了比较研究关于各种基于监管的地层控制策略如表1所示。
4.1.1网关协调
在该配置中，AUV用作网关。每的AUV将其信息发送到网关并接收网关的位置。因此实现了协调通过网关AUV，如图9所示。的数字表示AUV的名称和箭头介绍AUV之间的协调与参考。
4.1.2基于邻居参考的控制抽象
AUV需要保持适当的位置邻近AUV的位置保持形成。在图10，AUV之间的协调一致他们的邻居参考，如替换过的AUV，上级AUV和邻近AUV引用类型。
据王等人介绍，每个AUV通信向邻近的地区进行协调，如图11所示。一组三个AUV的空间模式根据空间格局索引n个AUV他们需要实现和与前一个和后续的AUV通信。不同的控制法有已经报道了AUV的形成控制1）合作控制法适用于致动具有静止形式的AUV在[41]中给出。2）讨论合作控制法的鲁棒性通讯延迟[41]。
随着一组AUV进入静止状态几何图案，每个AUV也需要收敛到如图12和13所示的相同的恒定方向。
4.1.3集中方式
这里我们考虑多个AUV的地层控制根据不同的固定几何图案沟通场景集中合作控制在合适的转换的基础上提出法律并在图论上的结果如图1所示。[39]。基于用于联合运动的运动学算法的AUV协同运动的有效地层控制在[42]中已经提出了带有AUV的AUV。
4.1.4神经网络（NN）动态表面
控制几种地层控制算法依赖于速度和领先AUV的时刻信息。但是，所有的AUV没有配备速度传感器。 一种使用反向传播学习算法的基于NN的地层控制器消除其动力学的AUV的跟踪误差高度非线性和时变[43]。它具有很好的能力纳入系统的动态。建议NN架构设计用于控制测试台为AUV命名为海军研究生院（NPS）AUV。
4.1.5集群内的关注者
形成控制器采用基于实时通信设计的领导追随者。集群空间状态法可以用于实现地层控制在这种方法中，整个AUV队伍分为不同的有限大小的群集。本地控制器是第一个为每个集群设计，然后通过集中式开发形成控制[45]。引导跟随器形成控制算法的实现过程如线形，三角形和倒三角形。
4.1.6空间同步并联形成
AUV群的同步并行组合是基于其速度匹配[46]开发和虚拟领导者控制设计。空间同步平行组合是AUVs集团合作的基础控制，对群体合作行为很重要，例如空间中的地层保持，通信距离固定和观察同步，如图16 [47]所示。
4.1.7使用非等级的路径进行监控
控制系统在地层控制文献中，有两种不同的类型基于分布使用地层控制结构的代理商之间的控制任务。这些是分级的非层次结构[48]。
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[140050]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
