欠驱动USV航迹跟踪控制技术综述

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欠驱动USV航迹跟踪控制技术综述

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欠驱动USV航迹跟踪控制技术综述

1.概述

21世纪是一个充满竞争的时代，人类利益争夺已经日趋激烈，其触角已经投向遥远的太空、宇宙以及广阔的海洋。对于海洋中所蕴藏的巨大潜在的经济及政治利益，使得各国对海洋权利的争夺日趋激烈。其中无人艇（USV）在海洋竞争中占有举足轻重的地位。近年来，由于无人艇等海上船舶的发展与应用，欠驱动系统控制研究已成为国际关注的热点。相对于全驱动系统，欠驱动系统的特性是指系统控制输入向量空间的维数小于系统广义坐标向量空间维数的情况,即系统的控制输入量少于其自由度。欠驱动系统的特点是可由较少的控制输入确定其在比控制输入维数大的位形空间内的运动。我们现在所熟知的典型的欠驱动系统包括：大多数水面舰船和水下潜器，非完整移动机器人、仿生机器人，航空航天器(如直升机、航天飞机)，交通运载工具(机车、吊车)及基准系统(倒立摆、球棒系统、柔性机械臂)等。其中USV的航迹控制需要同时控制船舶的位置和航向，无人艇控制系统只有2个控制输入，需要同时控制无人艇平面运动的3个自由度，独立控制输入少于其自由度,属于典型的欠驱动系统。随着对海洋资源的幵发需求，一些特殊任务如铺设管道和深海装备动力定位等，简单的航迹跟踪不能满足需要，其要求更高精度的作业。因此研究欠驱动船舶与海洋工程系统的控制在实际中具有重要价值。

USV航迹跟踪控制是指在控制系统的驱动下,船舶从任意初始位置驶入预先规划好的航线，并沿此航线最终抵达目的地。该问题的理论研究和实际应用重要性使之引起了广泛的关注。并成为USV运动控制领域的主流研究方向。21世纪初期，西方各国都十分重视和发展水面无人艇的研究。许多发达国家已经把水面无人艇的研究选定为最重要的发展方向。鉴于无人艇的重要性，我国也进行了自主智能水面无人艇研究，但目前尚处在初步实验探索研究阶段。

2.国外发展现状

USV发展概述：

水面无人艇是一种能够自主规划、自主航行，并且可以采用自主方式或人工

干预的小型水面舰艇。其具有隐身性好、操纵灵活、自动驾驶等特点。目前无人艇在军事领域的应用越来越广，使命范围已扩展到情报、侦查和监视(ISR)、水雷战、反潜战、反舰战、力量保护、港口安全、精确打击、海上拦截和封锁、特种作战支持等。各国海军对于无人艇的一系列前沿应用表现出越来越浓厚的兴趣，水面无人艇系统的建立，将在可能的未来海战中为大部队扫清海上障碍、建立快速海上通道等方面发挥积极作用。接下来介绍国外的典型的无人艇研究成果，其中以美国和以色列两国最为突出。

由美国、法国和新加坡共同参与开发并研制的“Spartan Scout”系列其因为突出的力量保护、精确打击和水雷战和后反潜能力而闻名。美国通用动力机器人系统公司利用GDRS自动导航系统作为海军无人水面船领域的船舶指挥控制系统,为濒海战斗舰反潜任务模块研发了第一艘自动无人水面艇“天龙座”。针对海军不同的职能而进行了独特设计，包括持续情报监视、侦察港口和边界安全、特种作战支持、自动搜索和救援任务等。

以色列“Protector”型无人遥控巡逻艇是以色列拉菲尔军火研制局与以色列航空防御系统公司联合研发的,以色列和新加坡海军当前都部署了这种无人水面船，该无人水面艇具有特别的高隐身性和机动性设计,不仅可用于本土防御和反恐作战,还可完成部队保护和情报，侦察与监视任务。

在欧洲防务展上，各国展示了新一代无人艇模型，具有代表性的有：“Silver Marlin”是以色列埃尔比特系统公司开发的第2代水面无人艇，有遥控和自主控制两种航行模式。所装备的自动控制系统相当先进，能使用巡航传感器和稳定系统进行精准航行和导航以防止倾覆，并且可以自动规避碰撞，能够计算最佳的转向速度和燃油消耗率，其最终目标是实现一种能够在完全不需要外部控制的自主执行任务的系统。

“Inspector（检查者）”是一个灵活的水上遥控平台，是利用ECA技术研制的新型水面无人艇。其有三种导航操控模式：自动、遥控、手动，且可在专用舰只和非专用舰只上进行部署。

2010年新加坡航展上，新加坡展出了最新名叫“维纳斯”的无人艇。

USV航迹跟踪控制发展概述

对于无人艇航迹跟踪国外的研究起步较早且相对成熟，其主要理论成果如下：

1.Lyapunov直接法

Jiang针对欠驱动船舶的全局渐近跟踪控制问题，利用Lyapunov直接法设计跟踪控制器。其基本原理是：针对持续激励条件限制,基于计算转矩方法把系统转换为两个级联系统的形式,提出了一种仅需要参考信号为持续激励的全局K-指数轨迹跟踪控制设计方法。 2.状态反馈方法

为了能够实现欠驱动船舶获得全局指数轨迹跟踪，Godhavn基于反步法和反馈线性化方法提出了一种连续时不变状态反馈控制律。其设计过程中要求艏摇角速度不为零,其缺陷为从平面坐标的位置收敛到设定路径时不能保证所有状态均收敛,导致船舶可能会出现旋转多圈达到期望路径的状况。

Pettersen等设计了一个连续时不变控制律，其目的是使船舶航迹误差和航向误差半全局指数镇定,Reyhanoglu等提出一种时不变非连续状态反馈局部指数镇定控制律。为解决欠驱动船舶的全局指数镇定,Pettersen等将平均法和反步法结合,设计了航迹跟踪时变反馈控制器,实现了位置和航向的跟踪,船舶轨迹误差指数收敛至原点任意小的邻域内。

Leffber提出了一种全局指数收敛状态反馈控制律,优点是控制律结构比较简单且对于模型误差和干扰具有一定的鲁棒性,能够使系统得到很好的控制结果。

Berge基于状态反馈线性化引入积分作用设计了非线性轨迹跟踪控制器，经论证分析船舶的位置和速度误差能够指数收敛。Toussaint针对环境干扰和状态反馈受测量噪声污染的欠驱动船舶的运动规划和控制，提出了一种H?控制方法。 3.输出反馈方法

1996年输出反馈控制方法被应用于船舶的轨迹跟踪控制和位置保持上。 DO等提出一种全状态、输出反馈鲁棒控制器，其目的是为解决艏摇角速度非零限制。并设计无源观测器,通过使用无源理论，把调整的参数个数降到最少。该控制器通过数字仿真和船模试验，得到了较好的控制结果。对欠驱动船舶拉格朗日动力学系统基于观测器设计输出反馈控制器，针对科里奥利矩阵使不可测速

度存在交叉项，给输出反馈问题带来困难，DO基于Lyapunov直接法和反步法，提出了一种全新的全局部分状态反馈和输出反馈轨迹跟踪控制器的设计方案，此控制器不需要测量横摇速度和前进速度，对于输出反馈只需要测量船舶位置和方向。随后Do和Jiang等引入了一个能够同时解决欠驱动船舶镇定控制问题和跟踪控制问题的通用控制器，这个通用控制器对持续激励条件不限制。随后又设计了一个具有全局鲁棒稳定性的全状态反馈以及输出反馈控制器，这个控制器突破了舷摇角速度不能为零的限制，解决了直线、曲线航迹跟踪和转向点跟踪问题。 4.模型预测控制方法(model predictive control, MPC)

模型预测控制主要处理输入和状态受限制的系统。Wahl在1998年首次将MPC引入到船舶控制中，从此拉开了模型预测控制在欠驱动船舶上的应用序幕。McNinch考虑了驱动器限制和船舶位置限制提出了一种非线性模型预测方法。Oh等提出针对带有输入限制的欠驱动水面船舶跟踪控制的模型预测控制方法，使用三自由度动态模型设计MPC控制器，把LOS导航算法和欠驱动水面船舶的路径控制结合起来。 5.滑模控制方法

Ashrafiuon等基于滑模控制方法提出了一种渐近稳态轨迹跟踪控制律,能够使欠驱动水面船舶跟踪期望的轨迹。为了解决横向方向上没有驱动的问题，引入了关于横向跟踪误差的两阶滑动平面，并证明了艏摇角速度是有界输入有界输出的。其缺点是在实际试验中出现了航向的振荡，且初始位置必须与设定的轨迹重合，与实际不相符。 6.级联设计方法

Lee和Jiang等首先把新的模型变换与计算转矩方法结合在一起，设计了一个解藕控制器，主要用于把误差模型解祸成为两个级联子系统，然后提出了一个由舷摇力矩做为参数的镇定控制器，并找到了能够确保全局k一指数稳定收敛的更容易满足的持续激励条件，控制器的特点是仅需要参考纵摇速度和舷摇角速度的其中一个信号来满足持续激励条件。

Cao把非线性系统通过时变状态转换为线性时变控制系统，并由此针对一般非完整系统的轨迹跟踪控制,提出一种光滑时变级联设计方法，其结果同样适用于欠驱动水面船舶。

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