【摘 要】
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近年来,船舶编队控制在海洋环境监测、海域资源勘测、海上气象数据采集和海上航行补给等方面扮演着重要的角色,引起国内外学者广泛关注,船舶编队控制已经成为船舶控制领域的研究热点问题之一。船舶编队能够完成单船无法完成的任务,相对于单船运动,船舶编队能够更好地降低任务的难度和危险度,可以提高工作效率和扩大工作范围。本文基于对现有船舶编队控制成果的研究与分析,考虑船舶编队控制的输入、输出约束限制,通过引入模型
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近年来,船舶编队控制在海洋环境监测、海域资源勘测、海上气象数据采集和海上航行补给等方面扮演着重要的角色,引起国内外学者广泛关注,船舶编队控制已经成为船舶控制领域的研究热点问题之一。船舶编队能够完成单船无法完成的任务,相对于单船运动,船舶编队能够更好地降低任务的难度和危险度,可以提高工作效率和扩大工作范围。本文基于对现有船舶编队控制成果的研究与分析,考虑船舶编队控制的输入、输出约束限制,通过引入模型预测控制理论,分别针对集中式、分散式与分布式控制结构,设计了船舶编队控制器,具体工作内容如下:第一,船舶舵机存在饱和问题,舵角幅值、变化率均具有约束限制,因此船舶编队控制具有输入限制;另外,由于船舶编队在队形形成过程中存在碰撞危险,考虑编队中船舶之间的安全航行距离,有利于船舶编队安全地完成指定任务。利用模型预测控制（Model Predictive Control,MPC）处理输入、输出约束限制的优势,将船舶编队控制问题转化为具有输入、输出约束限制的优化问题,面向船舶编队直线航行任务,得到船舶编队集中式控制器。第二,集中式控制要求大量的通信资源,而海洋通信环境复杂,编队间的通信往往会受到影响,编队内任一船舶通信失效,都可能造成单点失效问题,使得船舶编队整体任务失败;另外,船舶编队在前进方向发生改变时,编队中成员的航速和航向都会发生相应变化,考虑船舶编队曲线航行任务需求,本文基于船舶3自由度数学模型,采用跟随领导者法,利用模型预测控制,面向船舶曲线跟踪任务,得到船舶编队分散式控制器。第三,分布式控制是通过局部信息的交换,实现船舶编队控制,具有灵活性高,扩展性好的优点,对通信拓扑变化具有较高的鲁棒性。海洋通信受地势与环境影响,可能会出现断续的情况,因此本文基于船舶3自由度数学模型,采用跟随领导者法,利用模型预测控制,面向船舶曲线跟踪任务,针对具有一条有向生成树条件,得到船舶编队分布式控制器,该控制器能够克服单点失效问题。
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