考慮時延約束的UUV 密集集群自適應聚集控制方法

梁洪濤 ,康鳳舉

(1.陜西師范大學 物理學與信息技術學院,陜西 西安,710119;2.西北工業大學 航海學院,陜西 西安,710072)

0 引言

無人水下航行器(unmanned undersea vehicle,UUV)密集集群是一種由大規模數量的智能個體組成,通過艦艇發射或岸基布放,可長時間在水下自主航行的智能無人系統[1],其以低成本、小型化、大規模和高密度等獨特優勢區別于個體數量有限的UUV 編隊[2],可執行海洋環境探測、水下目標圍捕、近海港口封鎖等各類枯燥、惡劣和危險任務,被視為海洋工程領域的一種顛覆性技術[1,3]。但由于海洋環境復雜、動態和不可控,加之微小型個體感知、計算、通信和運動空間受限,精確的UUV密集集群聚集控制異常困難。

為了解決集群聚集控制問題,領航跟隨、虛擬結構、勢場函數以及行為控制等方法相繼被提出[2,4],但這些方法都存在一定局限性:領航跟隨結構容易陷入單點失敗;虛擬結構方法需要獲取全局信息;勢場函數法存在局部鎖死;行為控制法精確的數學模型難以建立。顯然,上述方法很難有效解決UUV 密集集群聚集控制[1-5],難點在于:1)近鄰信息獲取的不完整性;2)極易觸發雪崩碰撞和分裂;3)時延約束的不確定性。

受生物集群聚集、交會和跟隨等自然現象啟發,自組織協同控制方法成為集群控制研究的重點[6],其本質是通過個體間局部交互實現協調一致的運動,并利用長距吸引/短距排斥避免集群發生碰撞和分裂。早期,以Boids、Vicsek、Couzin 及其變結構模型為主的固定距離或數量交互的控制方法主要依據避碰-結對-聚集行為,采用速度平均機制對智能體感知范圍內所有個體進行交互,這為一致性控制方法的提出奠定了理論基礎[7]。……