《无人水下航行器集群控制》正式出版！

上下五千年 · 发表于每日资讯 2023-4-23 11:10:22

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我国是海洋大国，拥有丰富的海洋资源及漫长的海岸线。在海洋形势日趋复杂的今天，面向海洋保护区监管和海岸带、海岛保护监管等现实需求，加强智能化海洋作战系统的研究已迫在眉睫。无人水下航行器作为新型智能化海洋武器装备，具有体积小、隐身性好、很难被拦截、不易被追踪等特点，能够在海洋战场评估、情报侦查、水下探测、探险、扫雷、协同作战等领域发挥重要作用。

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CO3-AUVs 海上实验

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Swarm-diver 航行器集群

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奥地利 Cocoro 航行器集群

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哈尔滨工程大学航行器集群
受自然界中生物集群行为启发，同时得益于电子信息技术的推陈出新，无人水下航行器集群技术迅猛发展，已成为当前各主要国家和地区争先推进的前沿尖端技术。集群系统融合群体协同和单体自主性优势，具有更高的灵活性、机动性、任务执行效率和更广的作业范围，可代替人类完成更复杂的任务，进而满足协同区域搜索、编队巡逻、多无人平台协同围捕等实际需求，这进一步扩展了无人系统的应用领域。

《无人水下航行‍器集群控制》取材于作者团队近年来的相关研究成果。本书共分为 6 章，体系结构如下图所示。第 1 章概述了无人水下航行器集群控制理论和研究概况，第 2 章建立了欠驱动无人水下航行器的运动模型，第 3章主要研究了欠驱动水下航行器轨迹跟踪控制，第 4 章主要研究了欠驱动水下航行器路径跟踪控制，第 5 章主要研究了多水下航行器协同编队控制方法；第 6 章主要研究了多水下航行器集群跟踪控制方法。

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本书体系结构图
具体内容安排如下：
第 1 章“绪论”给出了无人水下航行器集群的定义，概述了国内外航行器集群控制的研究进展，介绍了本书中用的理论知识，并对体系结构进行了说明。
第 2 章“欠驱动无人水下航行器运动模型”给出了欠驱动无人水下航行器运动学和动力学方程，并对欠驱动系统进行了本质非线性、非完整特性、可控性与系统稳定性分析；利用 MATLAB 编写实验程序，进行操纵性仿真实验验证。
第 3 章“欠驱动水下航行器轨迹跟踪控制”首先基于自适应动态面设计速度和转艏控制器，克服了传统反步设计过程中的微分爆炸问题；然后，通过引入虚拟航行器，简化了轨迹跟踪控制器设计步骤，保证航行器跟踪上参考轨迹；最后，基于神经网络和模糊逻辑系统设计干扰逼近器，补偿环境干扰及模型不确定性，提高了控制系统在复杂海洋环境下的鲁棒性。
第 4 章“欠驱动水下航行器路径跟踪控制”主要研究外界干扰下的路径跟踪问题。研究路径规划方法，克服传统势函数中的目标不可达和局部极小值问题；为提高航行器收敛至期望路径的暂态行为，设计基于误差的趋近角；考虑海流干扰问题，一方面设计基于阻尼反步的动力学控制器，提高系统的抗干扰性；另一方面基于李雅普诺夫稳定性设计非线性海流观测器，补偿未知海流干扰，仿真实验结果验证了所提控制方法的有效性。
第 5 章“多水下航行器协同编队控制”主要研究了集中式编队控制和分布式编队控制。分析领航跟随编队结构，建立领航跟随编队模型，基于反步法和李雅普诺夫直接法设计跟随控制律，实现了多航行器协同编队控制；为提高编队方法的实用性，利用一致性理论和视线制导方法，设计基于路径参数一致的协同跟踪制导律，分别实现了多路径协同跟踪控制、单路径协同跟踪控制以及单路径协同包围控制。
第 6 章“多水下航行器集群跟踪控制”主要研究了集群自组织分布式协同控制方法。首先，基于生物自组织行为构建了集群聚集模型，通过李雅普诺夫稳定性理论设计集群期望速度；其次，利用小波神经网络设计干扰逼近器估计未知干扰，基于图论设计群中心观测器，实现了不确定干扰下的航行器集群轨迹跟踪控制；再次，基于视线法和集群自组织聚集模型设计群中心制导方法，实现了多航行器集群路径跟踪控制；最后，通过改进的人工势函数修正集群速度，保证多航行器在航行过程中能够安全绕过障碍物，仿真实验结果验证了所提方法的有效性。
作者简介

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梁霄，大连海事大学教授、博士生导师、国家级科技重大专项项目首席科学家，长期从事海上无人系统群体智能决策与协同控制研究，入选交通运输部“交通运输青年科技英才”、辽宁省“创新人才支持计划”、辽宁省“兴辽英才计划—青年拔尖人才”、辽宁省“百千万人才工程”等，发表学术论文 100 余篇，承担国家级科技重大和重点项目 2 项、国家自然科学基金项目4项，现为中国人民解放军陆军装备部专家、海军装备部专家、辽宁省造船工程学会专家组成员、辽宁省水下机器人联盟专家委员、国家自然科学基金评审专家等。容简介
本书从模型、理论和仿真等角度，深入系统介绍无人水下航行器集群控制的理论和方法。首先，本书概述了无人水下航行器集群研究现状，并对反步、滑模等非线性控制方法进行简单介绍；其次，通过分析航行器控制特性，建立运动学模型，并基于该模型进行操纵性仿真；再次，针对欠驱动水下航行器轨迹跟踪控制、路径规划、路径跟踪控制、多路径协同跟踪控制、单路径包围控制、集群轨迹跟踪控制、集群路径跟踪控制及集群避障等问题，分别基于动态面、神经网络、模糊系统、图论、势函数及一致性等理论设计控制器；最后，为验证上述控制方法的有效性和优越性，给出了详细的理论证明和仿真结果。
目录速览
前言

第1章绪论 1
1.1 无人水下航行器集群概念 1
1.1.1 无人水下航行器集群定义 1
1.1.2 无人水下航行器集群背景 2
1.2 无人水下航行器集群系统研究概况 3
1.3 无人水下航行器集群控制研究概况 4
1.4 预备知识 6
1.4.1 反步控制 6
1.4.2 动态面控制 8
1.4.3 滑模控制 9
1.4.4 李雅普诺夫稳定性理论 10
1.5 本书体系结构 12
参考文献 13
第2章欠驱动无人水下航行器运动模型 16
2.1 运动学模型 16
2.1.1 符号定义 16
2.1.2 坐标系 17
2.2 动力学模型 20
2.2.1 六自由度模型 20
2.2.2 三自由度模型 24
2.2.3 控制特性分析 25
2.3 操纵性仿真 28
2.3.1 二维操纵性仿真 29
2.3.2 三维操纵性仿真 31
2.4 本章小结 32
参考文献 32
第3章欠驱动水下航行器轨迹跟踪控制 34
3.1 基于反步法的基础控制 34
3.1.1 二维基础控制 34
3.1.2 三维基础控制 40
3.2 基于动态面的二维轨迹跟踪控制 44
3.2.1 问题描述 44
3.2.2 速度转艏控制器设计 45
3.2.3 稳定性分析 49
3.2.4 仿真实验 51
3.3 基于自适应动态面的三维轨迹跟踪控制 53
3.3.1 问题描述 53
3.3.2 速度转艏纵倾控制器设计 55
3.3.3 稳定性分析 58
3.3.4 仿真实验 59
3.4 基于神经网络逼近的轨迹跟踪控制 61
3.4.1 问题描述 61
3.4.2 控制器设计及稳定性分析 61
3.4.3 仿真实验 70
3.5 基于模糊逼近的轨迹跟踪控制 73
3.5.1 控制器设计及稳定性分析 74
3.5.2 仿真实验 80
3.6 本章小结 84
参考文献 84
第4章欠驱动水下航行器路径跟踪控制 86
4.1 基于模糊势函数的路径规划 87
4.1.1 问题描述 87
4.1.2 模糊势函数设计 87
4.1.3 仿真实验 90
4.2 基于自适应滑模的水平面路径跟踪控制 91
4.2.1 问题描述 91
4.2.2 自适应滑模控制器设计 93
4.2.3 稳定性分析 95
4.2.4 仿真实验 95
4.3 基于自适应滑模的垂直面路径跟踪控制 98
4.3.1 问题描述 98
4.3.2 自适应滑模控制器设计 100
4.3.3 仿真实验 102
4.4 基于阻尼反步法的三维路径跟踪控制 105
4.4.1 问题描述 105
4.4.2 阻尼反步控制器设计 107
4.4.3 稳定性分析 111
4.4.4 仿真实验 113
4.5 基于海流观测器的三维路径跟踪控制 114
4.5.1 海流干扰分析 115
4.5.2 海流观测器设计 117
4.5.3 反步滑模控制器设计 118
4.5.4 稳定性分析 121
4.5.5 仿真实验 123
4.6 本章小结 126
参考文献 126
第5章多水下航行器协同编队控制 128
5.1 基于领航跟随的二维编队控制 128
5.1.1 领航跟随编队模型 128
5.1.2 问题描述 130
5.1.3 基于级联的控制器设计及稳定性分析 132
5.1.4 仿真实验 139
5.2 基于虚拟航行器的三维领航跟随编队控制 144
5.2.1 问题描述 144
5.2.2 虚拟航行器设计 145
5.2.3 控制器设计及稳定性分析 147
5.2.4 仿真实验 150
5.3 基于路径参数一致性的多路径协同跟踪控制 151
5.3.1 问题描述 151
5.3.2 控制器设计及稳定性分析 152
5.3.3 仿真实验 156
5.4 基于路径参数包含的单路径协同跟踪控制 158
5.4.1 问题描述 158
5.4.2 控制器设计及稳定性分析 158
5.4.3 仿真实验 163
5.5 基于路径参数循环跟踪的单路径协同包围控制 165
5.5.1 问题描述 165
5.5.2 控制器设计及稳定性分析 165
5.5.3 仿真实验 169
5.6 本章小结 170
参考文献 170
第6章多水下航行器集群跟踪控制 172
6.1 集群自组织方法设计 173
6.1.1 生物自组织集群模型 173
6.1.2 集群速度向量设计 175
6.2 基于群中心观测的集群轨迹跟踪控制 177
6.2.1 问题描述 177
6.2.2 群中心观测器设计 178
6.2.3 控制器设计及稳定性分析 180
6.2.4 仿真实验 187
6.3 基于群中心制导的集群路径跟踪控制 193
6.3.1 问题描述 193
6.3.2 群中心制导律设计 194
6.3.3 控制器设计及稳定性分析 197
6.3.4 仿真实验 200
6.4 基于势函数的集群自主避障控制 203
6.4.1 问题描述 203
6.4.2 速度观测器设计 204
6.4.3 避障势函数设计 205
6.4.4 控制器设计及稳定性分析 207
6.4.5 仿真实验 211
6.5 本章小结 214
参考文献 215

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