用于无人水面航行器（USVs）路径跟随的视线引导律设计，包含侧滑角补偿功能

《Ocean Engineering》：Line-of-sight guidance law design for path following of USVs with sideslip angle compensation

基于分数阶扩展状态观测器的无人水面舰艇视线引导律设计与分析

　　在当今快速发展的海洋科技领域，无人水面航行器（Unmanned Surface Vessels, USVs）因其在海洋探测、环境监测、物流运输等任务中的广泛应用而备受关注。然而，在复杂海洋环境中，USVs的路径跟踪性能常受到风、浪、洋流等环境因素的严重影响。这些动态扰动使得USVs在航行过程中产生较大的侧滑角（sideslip angle），从而导致路径跟踪误差增大，影响整体任务的完成质量。因此，如何提高USVs在动态扰动下的路径跟踪精度和稳定性，成为当前研究的重要课题。

本文提出了一种基于扩展状态观测器（Extended State Observer, ESO）和分数幂函数的侧滑角估计方法，即ESO-fal。这一方法旨在解决USVs在复杂海洋环境下因侧滑角快速变化而带来的路径跟踪问题。传统的侧滑角估计方法通常假设侧滑角为恒定或缓慢变化，这种假设在实际应用中往往无法满足复杂环境下的动态需求。而本文通过引入ESO-fal，使得侧滑角的估计能够适应快速变化的环境扰动，从而提高了路径跟踪的鲁棒性和准确性。

路径跟踪控制的核心在于设计高效的导航引导律（guidance law）。引导律作为路径跟踪系统中的关键部分，直接影响着USVs能否沿着预设路径稳定航行。其中，视线引导（Line-of-Sight, LOS）因其结构简单、控制效果良好而被广泛应用于USVs的路径跟踪控制中。然而，传统的LOS引导律在面对动态扰动时，往往表现出一定的局限性，特别是在存在稳态误差的情况下，其性能会受到较大影响。为此，研究者们提出了多种改进方法，如积分LOS（Integral LOS）、自适应引导律等，以提高引导律在动态环境中的适应能力。

在积分LOS的基础上，研究者进一步优化了引导律的性能，例如通过引入可变前视距离来减弱USVs的振荡。此外，一些研究还尝试使用插值方法平滑路径，并通过预测未来路径跟踪误差来加快收敛速度。然而，目前大多数研究仍主要针对低速USVs，且对侧滑角的快速变化处理能力有限。因此，如何设计一种适用于高速USVs的引导律，成为亟待解决的问题。

本文提出的EFLOS引导律在传统LOS引导律的基础上进行了创新性改进。首先，通过引入ESO-fal，实现了对未知侧滑角的实时估计。ESO-fal利用分数幂函数的特性，使得观测器能够在复杂环境下快速收敛，并具备较强的鲁棒性。其次，将预设路径中的航路点（waypoints）规划信息融入引导律设计中，使得在航路点切换时，侧滑角的估计值能够迅速收敛，从而提升路径跟踪的整体性能。这种方法不仅提高了侧滑角估计的精度，还增强了引导律在面对快速变化的环境扰动时的适应能力。

为了验证EFLOS引导律的有效性，本文通过仿真实验对其性能进行了全面评估。实验结果表明，在不同速度条件下，EFLOS引导律相较于传统方法，具有更快的收敛速度和更高的跟踪稳定性。特别是在高速航行状态下，EFLOS能够有效抑制侧滑角对路径跟踪的影响，从而确保USVs在复杂海洋环境中保持良好的导航性能。此外，实验还表明，EFLOS在处理突发的环境扰动时，表现出更强的鲁棒性，能够在短时间内恢复到理想的跟踪状态。

本文的研究成果对于提升USVs在复杂海洋环境下的路径跟踪能力具有重要意义。通过结合ESO-fal与EFLOS引导律，不仅解决了传统方法中对侧滑角变化速度的限制，还进一步拓展了引导律的应用范围，使其能够适应更广泛的航行速度。这一方法的提出，为未来USVs在海洋环境中的自主导航和任务执行提供了新的技术路径。

在实际应用中，USVs常常需要在动态环境中完成复杂的路径跟踪任务。例如，在海洋环境监测任务中，USVs可能需要长时间航行，并在遇到突发的风浪扰动时，快速调整航向以保持路径精度。在这样的应用场景下，传统的侧滑角估计方法往往难以满足需求，而本文提出的ESO-fal则能够在动态扰动下快速、准确地估计侧滑角，从而为引导律提供更可靠的信息支持。此外，随着USVs的广泛应用，其速度范围也在不断扩大，从低速到高速的适应性成为研究的重要方向。EFLOS引导律的提出，使得USVs在不同速度条件下均能保持良好的路径跟踪性能，拓宽了其应用的边界。

从技术实现的角度来看，本文提出的方法在设计过程中充分考虑了实际应用场景中的各种挑战。首先，通过引入ESO-fal，解决了侧滑角估计中的动态问题。ESO-fal作为一种扩展状态观测器，能够在存在未知扰动的情况下，准确估计系统状态和外部扰动，从而提高整体系统的稳定性。其次，在引导律设计中，结合了预设路径的航路点信息，使得在航路点切换时，侧滑角的估计值能够迅速调整，提高引导律的实时性和适应性。此外，本文还通过仿真实验验证了方法的有效性，表明EFLOS在不同速度条件下均能表现出良好的性能。

在实际应用中，路径跟踪的精度和稳定性直接影响着USVs的任务执行效果。例如，在海洋环境监测任务中，USVs需要按照预设路径长时间航行，以收集环境数据。如果路径跟踪性能不佳，可能会导致数据采集的不准确，甚至影响任务的完成。因此，本文提出的方法在实际应用中具有重要的价值。通过实时估计和补偿侧滑角，EFLOS能够有效减少环境扰动对路径跟踪的影响，从而提高USVs的导航精度和任务完成率。

此外，本文的研究还为未来USVs的路径跟踪控制提供了新的思路。传统的路径跟踪控制方法往往依赖于对侧滑角的静态估计，而本文提出的方法则能够适应快速变化的侧滑角，使得引导律在动态扰动下依然能够保持良好的性能。这一方法的提出，不仅提高了路径跟踪的鲁棒性，还为USVs在复杂海洋环境中的自主导航提供了技术支持。

本文的研究成果对于推动USVs在海洋环境中的应用具有重要意义。通过结合ESO-fal与EFLOS引导律，不仅提高了USVs在动态环境下的路径跟踪能力，还拓展了其应用范围。未来，随着海洋环境的日益复杂，USVs的路径跟踪控制方法需要不断优化，以适应更加多变的航行条件。本文提出的方法为这一方向提供了有益的参考，同时也为相关领域的研究提供了新的思路和技术手段。

总的来说，本文的研究为解决USVs在复杂海洋环境下的路径跟踪问题提供了新的解决方案。通过引入ESO-fal，实现了对侧滑角的快速、准确估计，并结合EFLOS引导律，有效提升了路径跟踪的鲁棒性和稳定性。这一方法不仅适用于低速USVs，也能够适应高速航行条件，拓宽了USVs的应用场景。未来，随着技术的进一步发展，这一方法有望在更广泛的领域中得到应用，为USVs的自主导航和任务执行提供更加可靠的支持。