發(fā)布時間：2020-06-22 05:25

【摘要】：本論文基于自適應(yīng)動態(tài)規(guī)劃(Adaptive Dynamic Programming,ADP)方法,結(jié)合一致性理論,對無人機編隊的最優(yōu)協(xié)同控制進行研究。首先建立一致性誤差動態(tài)模型,基于此模型,主要從三個方面深入分析和研究相應(yīng)的協(xié)同控制技術(shù):討論無人機系統(tǒng)輸入受限情形下的一致性問題,討論無人機系統(tǒng)模型部分未知和模型完全未知情形下的一致性問題。主要內(nèi)容有:(1)針對編隊中的無人機系統(tǒng)存在輸入飽和受限情形,提出了分布式自適應(yīng)最優(yōu)控制方案求解其非零和微分博弈問題。為解決輸入受限造成的不連續(xù)問題,選用一個合適的非二次型泛函將問題轉(zhuǎn)化為可求解的優(yōu)化問題。為每架無人機設(shè)計單網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來近似耦合哈密頓-雅克比(Hamilton-Jacobi,HJ)方程的解,進而求得分布式最優(yōu)協(xié)同控制律。對于無人機的編隊系統(tǒng),使用單網(wǎng)絡(luò)而不是自適應(yīng)動態(tài)規(guī)劃典型的雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢更加突出,因為這樣不但可以減少對無人機的內(nèi)存需求還可以減少計算負擔。此外所有無人機的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Neural Network,NN)權(quán)值更新都是同時且連續(xù)的,這也使得所得控制律是平滑的。(2)針對模型部分未知的無人機編隊系統(tǒng)的最優(yōu)協(xié)同控制問題,提出了基于辨識-評價結(jié)構(gòu)的在線自適應(yīng)最優(yōu)控制方案。一般地,非線性非零和微分博弈最優(yōu)協(xié)同控制的關(guān)鍵是耦合HJ方程的求解。由于存在不確定性,針對每一架無人機,分別使用一個辨識NN用于估計無人機系統(tǒng)的未知動態(tài)和一個評價NN用于近似耦合HJ方程的解(最優(yōu)值函數(shù)),繼而導(dǎo)出最優(yōu)協(xié)同控制律�；�于辨識-評價結(jié)構(gòu),辨識NN和評價NN可以同步調(diào)整權(quán)值。(3)針對模型完全未知且存在干擾的情形,提出了一種新的數(shù)據(jù)驅(qū)動ADP算法。首先提出了基于模型的策略迭代算法,然后證明了值函數(shù)和控制策略的迭代序列收斂于最優(yōu)函數(shù)。為了放松算法對系統(tǒng)模型準確信息的依賴,結(jié)合前面基于模型的算法和積分強化學習(Integral Reinforcement Learning,IRL)技術(shù),推導(dǎo)出了無模型(model free)迭代方程。進一步提出一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的迭代ADP方法,利用生成的系統(tǒng)數(shù)據(jù)來求解無模型迭代方程。并且從理論上證明了這種無模型迭代方程等價于基于模型的迭代方程。這意味著數(shù)據(jù)驅(qū)動算法可以近似最優(yōu)值函數(shù)和控制策略。
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V279;V249.1
【圖文】：

雖然單架無人機單獨執(zhí)行任務(wù)時會有某些優(yōu)勢，但是多架無人機的協(xié)同會帶來更大的好處以一定的方式協(xié)調(diào)多架無人機的移動，以達到某一目標，如許多小型且便宜的無人機一起行動可以取得單個龐大無人機達不到的效果。比如對目標的精確定位、進入狹小洞穴對其測繪或者進入濃密的雨林進行實時環(huán)境評估。多個無人飛行器的編隊飛行已被確定為許多協(xié)同任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)[1]，本質(zhì)是將成本和復(fù)雜度從硬件平臺轉(zhuǎn)移到軟件和算法上。無人機系統(tǒng)的協(xié)同控制對許多民用、國土安全和軍事應(yīng)用也都有潛在的影響。潛在的民用項目包括協(xié)同監(jiān)控森林火災(zāi)、油田或管道泄漏和跟蹤野生動物等。潛在的國土安全應(yīng)用包括邊境巡邏和監(jiān)測核電站周邊地區(qū)軍事上的應(yīng)用包括監(jiān)視、偵察和戰(zhàn)斗損傷評估等。然而，對于所有這些應(yīng)用，都因通信帶寬距離和電源續(xù)航能力的約束對集中式的指揮和控制提出了巨大難題。為了使一組無人機保持一定的隊形結(jié)構(gòu)，它們之間應(yīng)該存在信息交互作用。研究編隊中無人機的信息流動對理解它們的協(xié)同運動起著重要的作用。在目前涉及無人駕駛飛行器的軍事場景中，像“捕食者”（見圖 1. 1）這樣的高配無人機可能具有雙向通信能力，而一些微型飛行器可能只有接收信息的能力。無人機編隊協(xié)同控制在結(jié)構(gòu)上具有個體+通信規(guī)則+連通拓撲的特點，且系統(tǒng)整體動力學是由簡單的個體行為規(guī)則與局部信息產(chǎn)生[2]，控制目的就是通過無人機間相互配合以實現(xiàn)協(xié)同行為，具有成本低、效率高、自適應(yīng)性強、維護便捷等優(yōu)點。

雖然單架無人機單獨執(zhí)行任務(wù)時會有某些優(yōu)勢，但是多架無人機的協(xié)同會帶來更大的好處以一定的方式協(xié)調(diào)多架無人機的移動，以達到某一目標，如許多小型且便宜的無人機一起行動可以取得單個龐大無人機達不到的效果。比如對目標的精確定位、進入狹小洞穴對其測繪或者進入濃密的雨林進行實時環(huán)境評估。多個無人飛行器的編隊飛行已被確定為許多協(xié)同任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)[1]，本質(zhì)是將成本和復(fù)雜度從硬件平臺轉(zhuǎn)移到軟件和算法上。無人機系統(tǒng)的協(xié)同控制對許多民用、國土安全和軍事應(yīng)用也都有潛在的影響。潛在的民用項目包括協(xié)同監(jiān)控森林火災(zāi)、油田或管道泄漏和跟蹤野生動物等。潛在的國土安全應(yīng)用包括邊境巡邏和監(jiān)測核電站周邊地區(qū)軍事上的應(yīng)用包括監(jiān)視、偵察和戰(zhàn)斗損傷評估等。然而，對于所有這些應(yīng)用，都因通信帶寬距離和電源續(xù)航能力的約束對集中式的指揮和控制提出了巨大難題。為了使一組無人機保持一定的隊形結(jié)構(gòu)，它們之間應(yīng)該存在信息交互作用。研究編隊中無人機的信息流動對理解它們的協(xié)同運動起著重要的作用。在目前涉及無人駕駛飛行器的軍事場景中，像“捕食者”（見圖 1. 1）這樣的高配無人機可能具有雙向通信能力，而一些微型飛行器可能只有接收信息的能力。無人機編隊協(xié)同控制在結(jié)構(gòu)上具有個體+通信規(guī)則+連通拓撲的特點，且系統(tǒng)整體動力學是由簡單的個體行為規(guī)則與局部信息產(chǎn)生[2]，控制目的就是通過無人機間相互配合以實現(xiàn)協(xié)同行為，具有成本低、效率高、自適應(yīng)性強、維護便捷等優(yōu)點。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 張化光;張欣;羅艷紅;楊s

本文編號：2725260