复杂水下航行器的多刚体度和鲁棒运动同步控制

It is both scientifically and practically important to study the distributed control for a group of autonomous underwater vehicles (AUVs). However, the multiple-rigid-body (MRB) structure of some AUVs poses great difficulty in model-based control design. Therefore, the control problems associated with this kind of AUVS are particularly typical and challenging. The current research works on groups of AUVs suffer from the limitation that: the reduction and simplification of MRB model are rarely considered for the design of distributed control, and there is a huge gap between the complete dynamics model and the model used for control design. In this project, we aim to study systematically the approaches and techniques for robust distributed synchronization control, including MRB modeling, coupling analysis, model reduction, control design and verification, and finally narrow the gap. Motivated by the concept of multiple degree of freedom, we propose the notion of “multiple degree of rigid body (MDORB)” to explicitly denote the number of rigid bodies included in the simplified models for control design, which also determines the accuracy and complexity level of these models. Specifically, we investigate four problems associated with the notion: 1) MDORB: the model reduction and comprehensive evaluation techniques for MRB AUVs, 2) the controllability and observability of typical motion modes, as well as the analysis of the dynamics coupling properties, 3) the robust stabilization and control synthesis for distributed synchronization control with respect to multiple unknown disturbances, and 4) the construction of simulation and experimental platforms and the verification of key techniques.

自主水下航行器集群的分布式控制具有重要科学研究价值和应用意义。然而，针对具有多刚体结构的航行器，开展基于模型的控制设计难度大，具有代表性和挑战性。当前，水下航行器集群控制研究中，较少系统考虑面向分布式控制的多刚体模型降阶与约简，因此完整力学模型与控制设计之间的鸿沟非常大。为此，本项目从多刚体建模、耦合效应分析、模型降阶、鲁棒控制设计到验证等方面，系统研究分布式同步控制方法与技术，以填补上述鸿沟。受“多自由度”概念的启发，本项目提出“多刚体度”概念，以清晰界定面向控制设计的简化模型所覆盖的刚体数目，并直接反映模型的精度和复杂度。以该概念为牵引，重点研究四个内容：1) 多刚体度：复杂水下航行器模型简化与模型综合评价技术，2) 典型航行模态的可控性、可观性与动态耦合特性分析，(3) 应对多源未知扰动的鲁棒镇定和分布式同步跟踪控制综合，(4) 仿真/实验平台的构建及关键技术验证。

多个航行器的鲁棒同步控制具有广泛的应用场景。各类型噪声和不确定因素对多体系统同步控制性能有很大影响，寻找能够抑制多源不确定因素且简单有效的方法框架具有重要的学术价值和实际意义。本项目以水下航行器及多关节机械臂为研究对象，探究系统动态模型中复杂不确定因素的产生机理、描述形式和有效抑制方法，发展应对多源干扰的补偿控制框架，突破多源扰动条件下多运动体系统鲁棒分布式同步控制框架、大量调节参数条件下稳态同步性能精准调控等关键技术。主要研究结果包括：（1）基于对多关节水下航行器结构模型的理解，抽象了包含一个移动基座和任意多个关节的链式连接的机械结构，开发了一种特定的计算机代数系统，以自动推导链式装置的动力学模型。利用该系统，输入关节类型后，可以生成每个个体的线速度和角速度方程；（2）采用第一性原理和开发的计算机代数系统，获得一个3关节机械臂完整的角动力学模型，在此基础上，开展模型的简化、特征参数辨识和鲁棒控制设计；（3）针对无速率测量条件下的轨迹跟踪问题，提出并系统验证了2种基于不确定性和干扰估计器（UDE）的输入干扰补偿方法。推导了估计器的可行相对阶及显式可计算形式；创新设计了伦伯格状态观测器（LSO）和UDE的双向耦合结构, LSO 为UDE提供速率的估计，以解决无速率测量问题, UDE为LSO提供干扰的估计，削弱干扰对LSO 估计精度的影响；在3关节机械臂实物上，开展了补偿方法的应用和综合性能评估；（4）发明了一种基于测控系统模型的测量误差估计器（MEE）技术，并进行了实验验证。相比于经典的卡尔曼和频率滤波等方法，MEE综合利用了传感器、控制器和被控对象的模型以及系统实时输入输出信息，可以实现对测量误差的在线精准估计和有效补偿；（5）发展了无速度测量条件下多运动体系统鲁棒精准同步跟踪控制技术，针对补偿器参数整定问题，创新性引入了虚拟的奇异摄动参数和一种参数映射，最终建立了与稳态同步跟踪控制误差单调的参数调节机制。