摘 要

无人艇作为一种水面舰艇，具有灵活、多功能、自动化的特点，可以在无人驾驶的情况下完成大量水面操作任务，广泛应用于军事、气象检测、海洋资源考察等方面。在民用上面也有许多可供开发的功能，这些都决定了无人艇有绝佳的应用前景。但单个无人艇由于个体单一，体积较小，难以达到完成复杂任务的要求，近些年，随着多智能体协调控制研究的深入，使得多无人艇协调控制有了基础。通过多个无人艇协调控制，可以极大的扩展无人艇在海面上的观测和作用范围，同时对于单个无人艇故障的容忍度也有很大提高。

本论文研究了无人艇以及多智能体协调控制的基本问题——一致性控制，内容主要包含无人艇运动模型建立、无人艇运动仿真和状态控制、有无Leader的一致性算法设计、系统仿真与调试等部分，首先建立了简化的无人艇三自由度MMG分离结构运动模型，将船舶中的不同部件分开考虑，易于理解模型的物理结构，然后对采用喷水器推进的动力系统进行了建模，同时考虑无人艇在水面的风浪流干扰、惯性流体动力和力矩、粘性流体动力及力矩，在Simulink仿真平台搭建了无人艇的仿真模型，并对模型进行了直航和回转运动的开环仿真，接着对无人艇在航行时反映其运动状态的航向和航速进行了PID控制，实现了其在海洋航行过程中的状态控制。

单个无人艇的状态控制是多无人艇一致性控制的基础，接下来设计了针对无人艇的一致性控制算法，在不变通信拓扑下，多个无人艇通过互相的状态检测和一致性协商，最终达到一致的速度和航向。对该一致性算法进行Simulink仿真，结果证明通过一致性协商多个无人艇在一段时间后可以过渡到稳定的一致状态，得到多个无人艇一致性调节过程中的状态信息和航迹。最后对Leader Follower模型进行了仿真，该模型中多个Follower无人艇的状态以Leader无人艇状态为目标进行调节，最终形成以Leader为基准的多智能体一致性系统。

关键词：无人艇；一致性控制；MMG模型；PID控制；Leader-Follower模型

ABSTRACT

The UAV is a kind of flexible, multi-functional, and automated surface warship that can perform a large number of surface operations under unmanned conditions. It is widely used in military, meteorological testing, and marine resource inspections, etc. There are also many functions available for development on the civilian use, which all determine the excellent application prospect of unmanned boats. However, due to the single individual and small volume of a single unmanned boat, it is difficult to achieve the requirements for completing complex tasks. In recent years, with the deepening of the research on the coordination control of multi-agents, multiple unmanned boats have a basis for coordinated control. Through the coordinated control of multiple unmanned boats, the observation and scope of action of the unmanned boat on the sea surface can be greatly expanded, and at the same time, the tolerance of the failure of a single unmanned boat is greatly improved.

This thesis studied the unmanned craft and the fundamental problem of the multi-agent coordination control – consensus control, mainly contains motion model, unmanned craft state of motion simulation and control, a consensus algorithm design with Leader and no Leader, system simulation and debugging, such as parts. Firstly, a simplified three-degree-of-freedom MMG separation structure motion model is established, and the different parts of the ship are considered separately to understand the physical structure of the model. The propulsion system is modeled using a water jet propulsion system, at the same time, consider wind, wave, flow disturbance, the inertial fluid power and torque, viscous fluid power and torque of the unmanned craft on the surface. The simulation model of unmanned craft was built on Simulink simulation platform, and the open loop simulation of direct navigation and rotary motion was carried out. Then, the course and speed of the unmanned craft in the course of navigation are controlled by PID control, and the state control is realized.

The state control of a single unmanned boat is the basis of the consensus control of the multi-unmanned boat, and then the consensus control algorithm for the unmanned boat is designed. In invariant communication topologies, multiple unmanned craft can reach the same speed and direction through mutual state detection and conformance negotiation. Simulink simulation was carried out for the consensus algorithm, and the results showed that multiple unmanned boats could transition to a stable consensus state after a period of time by consensus negotiation, and the status information and track are obtained. Finally, the leader-follower model was simulated, and the status of multiple followers in the model was adjusted by the Leader's unmanned boat state, and finally the multi-agent consensus system based on the Leader was formed.

Keywords: unmanned boat; Consensus control; MMG model; PID control; Leader - Followers model

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1课题研究背景、目的及意义 1

1.2国内外研究发展状况综述 1

1.2.1无人艇发展综述 1

1.2.2 一致性控制发展综述 4

1.3 论文主要研究内容 4

1.4 本文的结构安排 5

第二章 无人艇运动模型建立 6

2.1 无人艇模型选择 6

2.2 无人艇运动学模型 6

2.2.1 坐标系与符号说明 6

2.2.2 建立无人艇运动方程 7

2.3 无人艇动力学模型 9

2.3.1 无人艇动力学方程建立 9

2.3.2 流体水动力及力矩模型 11

2.4 喷水推进器原理及模型 13

2.4.1 喷水推进器介绍 13

2.4.2 推进器推力及力矩建模 14

2.5 风浪流干扰模型 16

2.5.1 海风干扰模型 16

2.5.2 海浪干扰模型 17

2.5.3 海流干扰模型 18

第三章 无人艇运动控制 19

3.1 无人艇运动模型仿真 19

3.1.1 加速过程仿真 19

3.1.2 回转运动仿真 20

3.2 航向、航速控制器设计及仿真 21

3.2.1 航向和航速PID控制 21

3.2.2 航向、航速控制仿真 22

第四章 一致性控制算法设计及仿真 25

4.1预备知识 25

4.1.1 图论知识与矩阵知识 25

4.1.2 一致性控制原理 26

4.2 一致性控制算法设计 27

4.3 无leader下的一致性控制及仿真 27

4.4 Leader-Follower模型的一致性控制及仿真 29

第五章 结论 31

参考文献 32

致谢 34

绪论

1.1课题研究背景、目的及意义

无人艇是一种全自动运行的高速水面艇，无人艇可以在对操作人员有安全威胁的水面环境中自动执行特定的任务，无人艇技术可上溯至第二次世界大战时期，其最开始的应用是清除海岸近处的鱼雷。在进入 21 世纪以来，无人艇因其模块化、智能化、无人化等特点，被广泛应用于信息勘察、紧急救援、水质采样、气象监测等领域，极大地提高了此类任务的执行效率。对于执行这些任务的单个无人艇来说，不可避免的会存在各种问题，比如轻型无人艇无法承受较大的负载、不能同时处理来自外界的大量信息、在体积限制下只能覆盖比较有限的面积，这些都不利于无人艇技术的进一步应用。针对这些缺点，需要将多艘无人艇组为编队。这些无人艇通过彼此之间共享信息和分工合作来达成一个（或多个）共同目标，这就构成了一个典型的多智能体协同控制系统。多无人艇系统并不是将多个无人艇简单的放在一起，而是将多个无人艇按照某种方式组合起来，组成一个团队，团队中每个成员都在协调下执行各自的任务，各个无人艇相互协作共同完成某项复杂的任务。多无人艇协调控制就是通过协调多个无人艇的各种状态信息来达到完成复杂任务的目的。

多无人艇协调控制的基本问题之一是一致性控制，一致性是指由多个智能体组成的一个系统在控制协议的作用下,其速度或方向等状态变量渐近趋同。多智能体系统的一致性研究可以很方便的扩展到更复杂的多智能体协调问题中，在蜂拥问题、群集问题、编队控制和分布式传感器网络等领域都有着广泛应用。