欠驱动USV航迹跟踪控制技术综述(2)

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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