基于权重最优环路成形的无人船自动靠泊鲁棒控制方法研究

为解决无人船自动靠泊过程中模型不确定性、抗干扰能力不足及场景普适性差等问题，研究人员提出了一种基于权重最优环路成形（2-DOF-WOLS）的鲁棒控制方法。通过引入权重优化概念将频域依赖问题转化为有限约束优化，结合Bézier曲线和正向欧拉信号跟踪法生成可微参考轨迹。仿真验证表明，该方法在不同靠泊场景下均能实现高稳定性与抗干扰性，为自主靠泊技术发展提供了理论参考。

　　

船舶自动靠泊是无人船自主导航的核心挑战之一，传统方法常因环境扰动（如浅水效应、岸壁效应）和模型不确定性导致控制失效。据统计，70%以上的靠泊事故与人为操作失误相关，凸显了自动化技术的紧迫性。尽管现有研究尝试采用模型预测控制（MPC）、神经网络等方法，但普遍存在抗干扰能力弱、场景适应性差等问题。

中国研究人员在《Applied Ocean Research》发表论文，提出了一种融合权重最优环路成形（2-DOF-WOLS）和Bézier轨迹规划的创新方法。该研究通过三项关键技术突破：1）将频域依赖的权重优化转化为有限约束问题，提升控制精度；2）建立基于Bézier曲线的泊位坐标转换机制；3）结合正向欧拉法与最小二乘拟合生成可微轨迹。

系统建模与扰动分析
通过3自由度（3-DOF）船舶运动模型，分离环境扰动（风浪流）为解耦的传递函数矩阵，采用线性分式变换（LFT）处理乘性输出扰动。验证表明，状态空间模型在特征值λ∈[0,-0.6037,-0.0345]下完全能控且能观。

2-DOF-WOLS控制器设计
创新性地将H_∞
环路成形与二自由度架构结合：

1. 反馈部分通过左互质分解优化鲁棒稳定裕度ε=γ^-1
   ，求解Riccati方程得到最小γ₀
   ；
2. 前馈滤波器K₁
   满足‖(I-G_s
   K₂
   )^-1
   G_s
   K₁
   -M_ref
   ‖_∞
   ≤γρ^-2
   ，确保时域响应；
3. 权重函数W₁
   经KYP引理转化为LMI约束，实现频域性能边界控制。

轨迹规划算法
采用三阶Bézier曲线P(t)=(1-t)²
C₀
+2t(1-t)C₁
+t²
C₂
生成初始路径，通过正向欧拉法离散化后，利用最小二乘拟合获得C¹
连续（一阶可导）的参考轨迹，解决了传统方法不可微的问题。

研究结论表明，该方法在多种靠泊场景下的仿真实验中均表现出优于传