Boosted by recent developments in control techniques, computing power, communication capabilities and miniaturization technologies, the cooperative deployment of multi-agent systems has been drawing the attention of the scientific community and industry, for applications in distinct areas such as military battle systems, mobile sensor networks, survey & inspection, transport systems and others. Inspired by natural biological systems, the use of a cluster of cooperative distributed agents has proved to be advantageous in terms of cost, efficiency, flexibility and reliability, when compared to conventional monolithic structures relying on a single agent. These advantages become even more preeminent for marine applications, since autonomous marine vehicles are much cheaper than conventional vessels in terms of capital and operational costs, can safely explore previously impenetrable environments of the sea, are less subjected to be hampered by rough weather, and are more discrete in terms of magnetic and acoustic signatures. To solve the associated control problem, this thesis envisages a control strategy relying on two layers of implementation. The lower-level layer, based on the receding horizon concept (model predictive control and moving horizon estimation), controls the vehicles individual motion. The higher-level layer, based on consensus theory, controls the motion of the entire formation. The receding horizon concept is particularly interesting for motion control of marine vehicles due to its capability to deal with nonlinear dynamics, parametric uncertainties and external disturbances, besides its inherent ability to systematically handle practical constraints on control signals and states. Consensus theory is interesting for formation control due to the simplicity of the associated control law. The performance of the designed control system is assessed through numerical simulations.

Impulsionado pelos desenvolvimentos recentes nas áreas de controle, capacidade computacional, comunicações e miniaturização, o emprego de controle cooperativo de sistemas com vários agentes tem atraído a atenção da comunidade científica e da indústria, para aplicações em diversas áreas como sistemas militares de combate, redes de sensores móveis, pesquisa & inspeção, sistemas de transportes, dentre outras. Inspirado pelos sistemas biológicos da natureza, o uso de um grupo de agentes distribuídos, operando em modo cooperativo, prova ser vantajoso em termos de custo, eficiência, flexibilidade e confiabilidade, quando comparado com as estruturas monolíticas convencionais, baseadas num único agente. Estas vantagens se tornam ainda mais proeminentes em aplicações marítimas, uma vez que veículos marítimos autônomos são muito mais baratos do que navios convencionais em termos de custos de capital e de operação, podem operar com segurança em regiões do mar outrora inacessíveis, são menos sujeitos aos efeitos deletérios associados ao mal tempo, e são mais discretos em termos de assinaturas acústica e magnética. Para resolver o problema de controle em tela, esta tese considera o emprego de uma estratégia de controle baseada em duas camadas de implementação. A camada inferior, baseada no princípio de controle de horizonte retrocedido (controle preditivo baseado em modelo e estimação baseada em horizonte móvel), é responsável por controlar o movimento individual dos veículos. A camada superior, baseada na teoria de consenso, é responsável por controlar o movimento da formação. O conceito de horizonte retrocedido é particularmente interessante para aplicações de controle de veículos oceânicos devido a sua capacidade de lidar com dinâmicas não-lineares, incertezas paramétricas, perturbações externas, além da sua inerente capacidade de lidar sistematicamente com restrições práticas nos sinais de controle e nos estados. A teoria de consenso é interessante para aplicações de controle de formação devido a simplicidade da lei de controle associada. O desempenho do sistema de controle projetado é avaliado através de simulações numéricas.