基于SFLOS的USV-AUV异构系统分布式协同路径跟踪控制研究

推荐：针对无人艇(USV)与自主水下航行器(AUV)协同作业中的路径参数同步与执行器约束难题，大连海事大学团队提出基于Serret-Frenet视线(SFLOS)的分布式控制策略。通过设计邻域信息更新率机制实现路径参数动态同步，创新性地将扭矩输入转化为舵桨指令，结合反步法姿态控制器与李雅普诺夫稳定性分析，实现了异构系统的高精度协同跟踪。该研究为海洋工程中多智能体协同作业提供了理论框架与技术支撑。

　　

海洋环境中无人艇(USV)与自主水下航行器(AUV)的协同作业正成为资源勘探、海底测绘等任务的核心技术。然而，这种异构系统面临三大挑战：水面与水下动态特性差异导致的路径同步困难、执行器物理限制引发的控制输入约束、以及海洋环境扰动下的通信可靠性问题。现有研究如Li等(2023)的Levy飞行搜索算法虽提升搜索效率，却忽略执行器约束；Rong等(2022)的分数阶滑模控制虽增强鲁棒性，但工程实现复杂。更关键的是，传统方法多针对同构系统，缺乏USV-AUV异构协同的统一解决方案。

大连海事大学团队在《Ocean Engineering》发表的研究中，创新性地建立了三维Serret-Frenet视线(SFLOS)导引框架。该研究通过设计基于相邻智能体信息更新率的同步机制，动态协调USV与AUV的路径参数；提出扭矩-舵桨指令转换策略突破执行器限制；开发反步法姿态控制器确保误差收敛，最终实现全局稳定的协同跟踪控制。

关键技术包括：1) 建立USV-AUV异构系统的North-East-Down(NED)坐标系运动模型；2) 设计路径参数同步机制，通过邻接矩阵(如式36)实现拓扑通信；3) 采用SFLOS导引律生成虚拟速度与航向角(式17)；4) 构建速度控制器(式32)与航向控制器(式29)；5) 基于李雅普诺夫理论完成闭环系统稳定性证明。

USV模型
研究采用双体船模型，在体坐标系B^S下建立运动方程(式1-3)。其中USV的横荡速度v_i^S与转首角速度r_i^S通过动力学方程(式3)耦合，体现水面船舶特有的非完整约束特性。

USV-AUVs kinematic path-following error
定义路径参数σ_i^S下的跟踪误差(式12)，通过旋转矩阵将惯性系位置误差[x_i^S-x_pi^S(σ_i^S), y_i^S-y_pi^S(σ_i^S)]转换至路径切向坐标系，其中航向角ψ_pi^S=arctan2(y_pi^S′, x_pi^S′)通过路径导数动态计算，确保误差定义的几何一致性。

Stability proof
定理1证明：在假设1-4条件下，通过合理选择控制参数，USV-AUVs系统可实现所有有界初始状态下的路径跟踪。关键步骤包括构造复合李雅普诺夫函数，证明速度误差u?_i^S与航向误差ψ?_i^S的指数收敛性，以及路径参数同步误差的渐近稳定性。

Simulation verification
以1艘USV与3艘AUV组成的异构系统为对象(图4)，设计通信拓扑邻接矩阵(式36)。仿真显示，在参数k₁=2.5, k₂=1.8时，系统能在15秒内实现|y_e^{S_iS始终保持在±35°的物理约束内，验证了控制策略的工程可行性。}

该研究通过三项创新突破技术瓶颈：1) 建立统一的三维SFLOS导引框架，解决异构系统空间协同的基准统一问题；2) 提出的扭矩-舵桨转换策略，为执行器约束控制提供了普适性解决方案；3) 严格的李雅普诺夫稳定性证明，确保系统全局稳定性。相比Tanakitkorn等(2024)的ULOS算法，本方法在三维环境适应性上提升37%；相较于Mokhtari等(2024)的滑模控制，能耗降低22%。这些成果不仅完善了多智能体协同控制理论，更为深海探测、跨域监测等海洋工程应用提供了关键技术支撑。未来研究可进一步探索动态海洋环境下的自适应参数调节机制，以及多目标优化下的协同任务分配策略。