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。

3.国内发展现状

USV发展概述：

我国近年来也积极开展了无人艇的研制工作，不过尚处于起步阶段，技术还不成熟。早期的研究仅限于遥控靶船，2006年，中国航空科工集团公司在XG-2 靶艇的基础上研制了一种新型的无人艇。但是由于技术缺陷只是概念模型，后经继续研发，“天象一号”无人艇问世，曾在青岛奥运帆船比赛中提供气象保障服务。 同时在珠海航展上，一种全新型号的无人艇亮相——“闪电”高速探测无人艇，此艇较“天象一号”更偏向于军用，有探测，侦查，小目标攻击等能力。目前是否启用不得知。

USV航迹跟踪控制发展概述

由于国际间掀起海洋资源争夺战，海上军事实力越来越被重视，国内掀起对无人艇的研究的热潮，特别的无人艇航迹跟踪控制所为主流方向越来越受重视，大批学者在领域有较大的成果。

2004年间，主要成果如下：

哈尔滨工程大学的韩冰利用微分平滑系统轨迹控制器设计的思想,采用直接动态反馈线性化的方法,建立了模型等价表达式,并将其解藕成为两个可控的线性系统,所设计的动态反馈控制律实现了跟踪误差全局渐近镇定,保证了船舶无驱动方向存在干扰的条件下,船舶仍能对设定航迹进行精确跟踪。

大连海事大学的李铁山基于重新定义思想,将输入输出线性化、耗散理论、自适应积分反演技术、Nussbaum增益技术等方法引入到船舶直线航迹控制系统中,对不完全驱动船舶在有外界干扰作用下的直线航迹鲁棒控制问题进行了研究。

2007年间，主要研究成果如下：

海军工程大学周倩利用局部线性化方法和模糊线性化方法,对船舶航迹跟踪控制的数学模型进行近似线性化，在此基础上提出一种滑模控制方案。周岗基于输入输出线性化技术,给出了一类重定义输出变量和保证全局渐近稳定性的充分

条件。

中国科学院自动化研究所的程金针对欠驱动船舶的动态轨迹跟踪问题,在存在海况慢变干扰的情况下,对船舶位置的动态跟踪提出一种自适应控制方法。

大连海事大学的卜仁祥将增量反馈与非线性滑模迭代相结合,提出了一种非线性反馈控制方法,保证了直线、曲线路径(及轨迹)跟踪控制的稳定性和精确度,其方法克服了船舶航迹控制依赖精确模型的问题,但是滑模迭代过程中需要多次对复杂的函数求取微分,这给实际工程应用带来很大的难度。

2009年间主要成果如下：

上海交通大学王晓飞在Serret-Frenet框架下通过引入重定义输出,将解析模型预测控制方法与非线性干扰观测器、模型参考自适应辨识方法相结合,提出了对外界干扰、不确定参数具有鲁棒性、自适应性的欠驱动船舶路径跟踪控制算法。

2013-2014年间，主要研究成果如下：

哈尔滨工程大学廖煜雷等设计了喷水推进型欠驱动无人艇的由艇艏摇非线性响应模型和舵机伺服系统组成的直线航迹控制系统，在考虑模型参数不确定性和外界干扰随机性特点的情况下，研究了一种反步自适应动态滑模控制方法。首先利用全局微分同胚坐标变换将原系统转化为具有下三角特征的非线性系统，然后基于反步设计法和动态滑模控制理论，设计了反步自适应动态滑模控制器，并利用Lyapunov稳定性理论，证明在该控制器的作用下，直线航迹控制系统是全局渐近稳定的。

哈尔滨工程大学万磊等考虑系统阻尼系数矩阵和惯性系数矩阵非对角线元素存在非零项，且阻尼系数随着航速变化的情况，首先通过两次全局微分同胚变换将系统矩阵变换为级联系统的形式，使控制模型得以简化，然后基于简化后的模型、级联系统理论和Lyapunov直接法设计了误差镇定控制器，该控制器能够实现非完全对称欠驱动高速无人艇的任意参考轨迹的跟踪控制。

上海大学彭艳等人基于广义预测理论，将其与PID控制相结合，设计了GPC-PID串级控制器，分别控制无人艇的转艏运动和操舵运动，并采用分离式控制方案，通过航向控制间接实现无人艇的航迹跟踪控制。

4.国内外情况对比（说明国内外的差距）

对于无人艇的研究，国内外成果差异显而易见，中国尚处于起步阶段，技术水平相当不成熟。如美国、以色列等研究的无人艇以投入军事武装，而中国的无人艇还只能勉强满足民用的需求，其技术含量相差较远。

对于其无人艇的控制研究，中国学者在国外研究理论成果的基础上，提出了一系列的专题专项理论研究成果（文中有介绍），但是基于国内设备条件的限制，以及目前还没有完整的无人艇体系的研究，要将理论转化为实践还有相当长的路要走。而国外，特别是美国，无人艇技术发展成熟，最近发表的美国最新研究成果中，无人艇不仅具有独立工作，保护本方舰艇的能力，还能以“蜂群”战术向敌方舰艇发起自主攻击。在海上实施“蜂群”攻击，通常是指同时利用多艘高速快艇协同攻击敌方单一大型舰艇的作战行动。“蜂群”攻击要求为协同行动提供强大的指挥控制、态势感知、信息共享和实时通信能力，而“蜂群”攻击的实现则要求无人艇在自主操作的情况下完成，即信息化之外又增加了自主化，包括高速的自主信息处理能力和精准的自主路径规划能力，其难度之大可想而知。所以由此可观，中国的无人艇的研究尚不成熟，但其发展空间及潜力是巨大的。

5.国内主要研究单位及当前研究水平评价

国内研究无人艇的单位主要有哈尔滨工程大学的水下机器人国家重点实验室，大连海事大学，广州船舶设计院，海军大连舰艇学院，上海海事大学，中国航天科工集团新光公司，沈阳自动化所等等。

相对于水下无人艇，目前我国对水面无人艇的研究不成熟，特别是智能，高速、无人等方面集成，我国还停留在遥控艇的阶段，而遥控艇弊端在于视野的局限性。真正的自主航行USV系统研究和控制研究方面与国外差距明显。对于其航迹控制方面研究，国内学者已经取得了较为显著的成绩，发表了一定量的基于国外研究成果之上的新理论，并用仿真实验论证其合理性。其研究发展速度是可喜的，潜力是巨大的。但是由于条件的局限实际论证实验无法开展，或是很难开展，无人艇系统和控制方法研究仍然困难重重。对比与国外，我国的无人艇从单个独立工作到海上协同作业还有很长的路要走。但是只要我们努力吸取国外的先进理论成果，不断自主创新开发技术新亮点，中国在无人艇系统和控制研究方面一定

会取得飞速的发展。

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