通讯受限下的无人艇编队控制研究
摘要
无人艇作为一种水上智能平台，在民用及军用方面都有着不可估量的作用。目前，
单一无人艇已经无法满足复杂场景下的任务需求，无人艇编队控制问题逐步进入人们的
视野，成为其完成编队协同任务的先决条件。本文在通讯受限背景下，针对无人艇编队
控制问题开展研究。
首先，针对通讯受限下无人艇无法获得邻间艇位姿信息的问题，提出了一种基于相
对位置信息的无人艇编队控制方案。通过艇载传感器测得艇间距离信息和方位信息从而
得到艇间相对位置信息。基于反步控制设计思路，结合动态面控制解决计算过程中产生
的“微分爆炸”问题。同时，引入自适应控制提升无人艇编队的鲁棒性。此外，利用径
向基神经网络结合最小参数学习法，对无人艇的未知模型动态进行逼近，同时降低了计
算复杂度。
其次，针对距离信息测量成本较高的问题，提出了一种基于方位信息的无人艇编队
控制方案。该方案取消了距离信息的测量与利用，仅依靠方位信息来实现无人艇的编队
控制。为方便编队控制器的设计，将无人艇的数学模型进行转换，划分为位置子系统和
姿态子系统。同时，将向量投影设计思想引入到了虚拟控制律的设计过程当中。此外，
引入最小参数学习法减少了针对无人艇不确定性逼近过程中的计算量。
最后，考虑通讯受限下无人艇编队系统收敛时间的问题，提出了一种基于方位信息
的有限时间无人艇编队控制方案。该方案利用有限时间滤波动态面控制思想，将所设计
的虚拟控制律通过一阶黎凡特微分器进行过滤，并为此设计误差补偿参数以抵消过滤过
程中所产生的误差。该控制方案保障了闭环编队系统所有状态量及误差都能在有限时间
内收敛。此外，在前两章编队保持控制的基础上考虑了编队缩放控制，使得无人艇可以
完成海上避障、狭窄航道行驶等任务，满足了实际工程需要。
关键词：水面无人艇，编队控制，反步控制，方位刚性理论，有限时间
通讯受限下的无人艇编队控制研究
ABSTRACT
Unmannedsurfacevehicleasakindofintelligentplatformonthewater,hasan
immeasurablerolebothincivilandmilitaryaspects.Atpresent,asingleunmannedsurface
vehiclecannolongermeetthetaskrequirementsincomplexscenes.Formationcontrolof
unmannedsurfacevehicleshasgraduallycomeintopeoplesviewandbecomeaprerequisite
forformationcoordination.Inthispaper,thecontrolproblemofunmannedcraftformationis
studiedunderthebackgroundoflimitedcommunication.
Firstly,aformationcontrolschemebasedonrelativepositioninformationisproposedto
solvetheproblemthatunmannedsurfacevehiclescannotobtainthepositionandattitude
informationofadjacentvehiclesunderthecommunicationlimitation.Therelativeposition
betweenunmannedsurfacevehiclescanbeobtainedbymeasuringthedistanceinformationand
bearinginformationbytheonboardsensor.Basedonthedesignideaof