基于自适应事件触发型天气最优控制的欠驱动无人水面船（USV）的低保守性间歇激活区域保持控制

《Ocean Engineering》：Low-conservative intermittent activation area-keeping control for underactuated USV based on the adaptive event-triggered weather optimal control

低保守间歇激活控制策略基于自适应事件触发天气最优控制（AETWOC）与输入-状态安全控制barrier函数（ISSf-CBF），在动态环境扰动下实现无人水面舰艇（USV）安全约束区域保持，减少执行器磨损和能耗。

　　近年来，无人水面航行器（Unmanned Surface Vehicle, USV）因其在海洋科学研究、环境监测和军事行动中的广泛应用，逐渐成为研究热点。然而，USV在实际运行过程中常常面临动态环境扰动的挑战，这不仅影响其运动控制性能，还可能造成执行器的过度磨损和能源消耗。为应对这些问题，研究者们不断探索新的控制策略，以实现更高效、更安全的USV运行。本文提出了一种基于自适应事件触发天气优化控制（Adaptive Event-Triggered Weather Optimal Control, AETWOC）的低保守性间歇性区域保持控制方案，旨在减少能源消耗和执行器磨损，同时确保USV在复杂环境中的安全运行。

在实际海洋环境中，USV的运动受多种因素影响，包括风、浪、流等动态环境扰动。这些扰动往往具有不确定性和时变性，使得传统的控制方法难以适应。因此，研究者们提出了一种天气优化控制（Weather Optimal Control, WOC）方法，通过调整USV的航向，使其与环境扰动方向相反，从而降低能耗。然而，WOC方法在动态环境扰动下可能会导致最优航向频繁更新，这不仅增加了执行器的使用频率，还可能加速其磨损。为此，引入自适应事件触发机制（Adaptive Event-Triggered Mechanism, AETM）成为一种有效的解决方案。

AETM的核心思想是根据系统的实时状态动态调整事件触发阈值，从而减少不必要的控制更新。这一机制已被广泛应用于多导弹协同制导系统中，以节省有限的通信资源并避免Zeno行为（即事件触发频率趋于无穷大的现象）。此外，AETM在USV运动控制中的应用也逐渐增多，如在某些研究中，通过自适应事件触发机制实现了更高效的运动控制策略。然而，目前尚未有研究将AETM与WOC相结合，以实现低保守性的区域保持控制。

本文的创新点在于，将WOC与AETM相结合，设计出一种自适应事件触发天气优化控制器（AETWOC），该控制器能够在动态环境扰动下有效减少最优航向和期望位置的更新频率，从而降低执行器的磨损。同时，为了确保区域保持操作的安全性，引入了输入到状态安全控制屏障函数（Input-to-State Safe Control Barrier Function, ISSf-CBF）方法，该方法能够动态调整控制器的激活位置，避免USV超出安全约束区域。相比传统的固定激活边界方法，ISSf-CBF能够提供更灵活的控制策略，从而在保证安全的前提下，降低能源消耗。

此外，本文还探讨了ISSf-CBF在USV区域保持控制中的应用。传统的控制屏障函数（Control Barrier Function, CBF）方法主要用于碰撞避免控制，但其在区域保持控制中的应用尚不成熟。因此，研究者们尝试将CBF与区域保持控制相结合，以实现更安全的控制策略。ISSf-CBF作为一种改进的CBF方法，能够在动态扰动下保持系统的安全性，同时减少控制更新的频率。通过将ISSf-CBF应用于区域保持控制，可以有效降低USV的能源消耗，并确保其在复杂环境中的安全运行。

本文的研究结果表明，基于AETWOC和ISSf-CBF的控制方案在降低能源消耗和执行器磨损方面具有显著优势。在模拟实验中，USV在动态环境扰动下的运动轨迹被有效控制，使其能够保持在安全区域内。同时，控制更新的频率被显著降低，从而减少了不必要的执行操作。此外，ISSf-CBF方法能够动态调整控制器的激活位置，使得USV能够在接近安全边界时仍然保持稳定，避免超出约束区域。这一方法在保证系统安全的同时，实现了更高效的控制策略。

在实际应用中，USV的区域保持控制不仅需要考虑动态环境扰动的影响，还需要应对执行器的有限寿命和能源供应的限制。因此，设计一种低保守性的控制方案对于提高USV的运行效率和延长其使用寿命具有重要意义。本文提出的AETWOC和ISSf-CBF结合的控制方案，能够在不依赖固定激活边界的情况下，实现更灵活、更安全的区域保持控制。通过减少控制更新的频率，可以有效降低执行器的磨损和能源消耗，从而提高USV的整体性能。

此外，本文还对现有的USV运动控制方法进行了回顾和分析。PID控制、滑模控制、模型预测控制等传统方法在应对环境扰动时存在一定的局限性，尤其是在动态环境扰动频繁的情况下，这些方法可能导致控制更新频率过高，增加执行器的负担。因此，引入自适应事件触发机制成为一种有效的解决方案。AETM能够根据系统的实时状态动态调整触发阈值，从而减少不必要的控制更新，提高系统的稳定性。

在本文中，通过将AETM与WOC相结合，设计出了一种自适应事件触发天气优化控制器（AETWOC）。该控制器能够在动态环境扰动下有效减少最优航向和期望位置的更新频率，从而降低执行器的磨损。同时，基于ISSf-CBF方法，设计出了一种低保守性的间歇性区域保持控制器，该控制器能够在不超出安全约束区域的前提下，实现更高效的控制策略。通过减少控制更新的频率，可以有效降低USV的能源消耗，提高其运行效率。

在实际应用中，USV的区域保持控制需要考虑多种因素，包括环境扰动、执行器的性能、能源供应等。因此，设计一种能够有效应对这些因素的控制方案具有重要意义。本文提出的AETWOC和ISSf-CBF结合的控制方案，能够在不依赖固定激活边界的情况下，实现更灵活、更安全的区域保持控制。通过减少控制更新的频率，可以有效降低执行器的磨损和能源消耗，提高USV的整体性能。

此外，本文还对ISSf-CBF在USV区域保持控制中的应用进行了探讨。传统的CBF方法主要用于碰撞避免控制，但其在区域保持控制中的应用尚不成熟。因此，研究者们尝试将CBF与区域保持控制相结合，以实现更安全的控制策略。ISSf-CBF作为一种改进的CBF方法，能够在动态扰动下保持系统的安全性，同时减少控制更新的频率。通过将ISSf-CBF应用于区域保持控制，可以有效降低USV的能源消耗，并确保其在复杂环境中的安全运行。

在模拟实验中，USV在动态环境扰动下的运动轨迹被有效控制，使其能够保持在安全区域内。同时，控制更新的频率被显著降低，从而减少了不必要的执行操作。此外，ISSf-CBF方法能够动态调整控制器的激活位置，使得USV能够在接近安全边界时仍然保持稳定，避免超出约束区域。这一方法在保证系统安全的同时，实现了更高效的控制策略。

本文的研究结果表明，基于AETWOC和ISSf-CBF的控制方案在降低能源消耗和执行器磨损方面具有显著优势。通过将AETM与WOC相结合，设计出了一种能够适应动态环境扰动的自适应事件触发天气优化控制器，该控制器能够在不频繁更新最优航向和期望位置的情况下，实现更高效的区域保持控制。同时，基于ISSf-CBF方法，设计出了一种低保守性的间歇性区域保持控制器，该控制器能够在不超出安全约束区域的前提下，实现更灵活的控制策略。

在实际应用中，USV的区域保持控制不仅需要考虑动态环境扰动的影响，还需要应对执行器的性能和能源供应的限制。因此，设计一种能够有效应对这些因素的控制方案具有重要意义。本文提出的AETWOC和ISSf-CBF结合的控制方案，能够在不依赖固定激活边界的情况下，实现更灵活、更安全的区域保持控制。通过减少控制更新的频率，可以有效降低执行器的磨损和能源消耗，提高USV的整体性能。

此外，本文还对ISSf-CBF在USV区域保持控制中的应用进行了探讨。传统的CBF方法主要用于碰撞避免控制，但其在区域保持控制中的应用尚不成熟。因此，研究者们尝试将CBF与区域保持控制相结合，以实现更安全的控制策略。ISSf-CBF作为一种改进的CBF方法，能够在动态扰动下保持系统的安全性，同时减少控制更新的频率。通过将ISSf-CBF应用于区域保持控制，可以有效降低USV的能源消耗，并确保其在复杂环境中的安全运行。

在模拟实验中，USV在动态环境扰动下的运动轨迹被有效控制，使其能够保持在安全区域内。同时，控制更新的频率被显著降低，从而减少了不必要的执行操作。此外，ISSf-CBF方法能够动态调整控制器的激活位置，使得USV能够在接近安全边界时仍然保持稳定，避免超出约束区域。这一方法在保证系统安全的同时，实现了更高效的控制策略。

综上所述，本文提出了一种基于自适应事件触发天气优化控制的低保守性间歇性区域保持控制方案，该方案在应对动态环境扰动和降低能源消耗方面具有显著优势。通过将AETM与WOC相结合，设计出了一种能够适应动态环境扰动的自适应事件触发天气优化控制器，该控制器能够在不频繁更新最优航向和期望位置的情况下，实现更高效的区域保持控制。同时，基于ISSf-CBF方法，设计出了一种低保守性的间歇性区域保持控制器，该控制器能够在不超出安全约束区域的前提下，实现更灵活的控制策略。本文的研究结果表明，该控制方案在实际应用中具有良好的效果和优势，能够有效提升USV的运行效率和安全性。