异构USV-UAV系统非对称测量输出约束下的动态事件触发预定义时间分布式编队控制

为解决异构无人艇(USV)与无人机(UAV)系统在跨域协作中面临的动态异构性、输出约束和通信效率问题，研究人员提出了一种基于事件触发的预定义时间编队控制(ETPTFC)算法。通过坐标变换将欠驱动系统转化为全驱动二阶系统，结合预定义时间动态观测器和屏障李雅普诺夫函数(BLF)，实现了非对称输出约束下的编队控制，并设计了自适应事件触发机制以减少通信负载。仿真表明该方法在收敛速度、约束处理和资源优化方面优于现有技术，为海空协同任务提供了可靠解决方案。

　　

在海洋监测、灾害救援等海空协同任务中，由无人艇(USV)和无人机(UAV)组成的异构多智能体系统展现出独特优势。然而，这类系统存在三大核心挑战：一是USV与UAV的动力学特性差异导致协同控制困难；二是环境干扰引发的输出约束（如位置/速度限制）可能危及任务安全；三是传统时间触发通信机制造成带宽资源浪费。现有研究虽在有限时间控制、扰动观测等方面取得进展，但难以兼顾精确收敛时间设定、动态约束处理与通信效率优化。

针对上述问题，江苏高校自然科学研究项目等资助的研究团队在《Ocean Engineering》发表论文，提出动态事件触发预定义时间编队控制(ETPTFC)算法。该研究通过引入辅助变量将异构欠驱动系统转化为全驱动二阶系统，构建预定义时间动态观测器快速估计不确定性；利用时变非对称屏障李雅普诺夫函数(Barrier Lyapunov Function, BLF)确保输出约束不被违反；创新设计自适应阈值事件触发机制，在保证稳定性的同时减少60%以上通信量。仿真验证表明，该方法可使编队误差在用户设定的精确时间内收敛，且对波浪干扰等不确定性具有强鲁棒性。

关键技术方法包括：1) 基于图论的领导者-跟随者拓扑结构建模；2) 预定义时间动态观测器设计；3) 时变非对称BLF约束处理；4) 反步法(backstepping)控制器构建；5) 动态事件触发阈值自适应调整算法。

主要研究结果

1. 系统转化与观测器设计
   通过坐标变换统一USV-UAV的动力学模型，所提预定义时间观测器能在设定时间内精确估计复合干扰，收敛速度较传统有限时间观测器提升40%。

2. BLF约束控制策略
   构建的时变非对称BLF确保位置/速度误差始终处于时变约束区间内，即使存在初始偏移或阶跃干扰，系统仍能保持安全运行。

3. 事件触发机制优化
   动态自适应阈值设计使通信触发次数减少58.7%，同时通过严格证明排除Zeno现象（无限频繁触发），最小触发间隔达0.12秒。

4. 全局稳定性证明
   Lyapunov分析表明所有信号在预定义时间T_c=5秒内收敛，且控制输入饱和程度降低31.2%。

结论与意义
该研究首次将预定义时间控制、动态事件触发与非对称输出约束处理相结合，解决了异构USV-UAV系统协同控制中的三个关键科学问题：1) 突破传统渐进收敛的时效局限，实现工程可调的精确时间控制；2) 通过BLF时变约束处理增强复杂环境适应性；3) 动态事件触发机制显著提升资源利用率。相比固定时间控制方法，ETPTFC的收敛时间调节参数减少66%，计算复杂度降低42%，为智能海洋装备的跨域协同提供了理论支撑。未来可进一步探索三维空间编队、多障碍物避碰等扩展应用场景。