异构AUV系统间歇通信下的自适应有限时间跟踪控制：双层观测器-控制器策略研究

推荐：针对多AUV系统在部分状态可测与间歇通信约束下的轨迹跟踪难题，研究人员提出双层有限时间控制框架，包含两个观测器与分布式混合控制器。创新性实现领导者系统矩阵/状态同步估计与跟随者扰动有限时间精确观测，解决了传统方法依赖连续通信与先验动力学知识的局限。通过自适应切换机制保障通信中断时的跟踪连续性，为复杂水下任务提供高效解决方案。

　　

在海洋资源勘探和水下作业需求激增的背景下，多自主水下航行器(AUV)协同系统因其高效执行水文测绘、动态目标追踪等复杂任务的能力备受关注。然而，实际作业中AUV系统面临三大技术瓶颈：传感器仅能获取部分位置信息、水声通信受环境干扰导致间歇性中断，以及复杂流体动力学引发的非线性扰动。传统控制方法往往需要连续通信和全状态测量，且无法在有限时间内完成精确跟踪，严重制约了系统在时间敏感任务（如军事侦察或灾害救援）中的应用效果。

针对这些挑战，重庆大学的研究团队在《Ocean Engineering》发表研究，提出创新性的双层观测器-控制器策略。该研究通过设计自适应有限时间混合观测器，首次实现仅凭间歇性邻居交互信息同步估计领导者未知系统矩阵和状态；开发基于滑模的观测器，仅需位置数据即可有限时间精确重构跟随者AUV的全状态和集总扰动；最终构建分布式混合控制器，利用观测器预测值在通信中断时维持跟踪性能。

关键技术方法包括：(1)采用间歇通信拓扑下的自适应参数估计技术，消除对领导者动力学先验知识的依赖；(2)设计含分数阶滑模面的有限时间观测器，实现无扰动导数界假设的精确估计；(3)基于齐次系统理论证明观测误差与跟踪误差的有限时间收敛性；(4)通过Kambara模型仿真验证四AUV系统的控制性能。

主要研究结果

1. 领导者系统信息估计：设计的自适应观测器在通信间隔τ≤0.2s条件下，5秒内精确收敛至领导者实际状态，系统矩阵估计误差‖A₀-?₀‖_F降至10^-3量级，突破现有方法需已知动力学矩阵的限制。

2. 跟随者状态重构：滑模观测器在α=0.8的分数阶增益下，3秒内完成速度与扰动估计，位置误差‖η_i-η?_i‖<0.01m，较传统扩展状态观测器提速60%。

3. 混合控制性能：在50%通信丢失率场景下，跟踪误差‖e_i‖仍能在8秒内收敛至零，验证控制器在‖u_i‖≤15N的输入约束下保持稳定。

结论与意义
该研究通过理论证明与数值仿真，确立了三重创新贡献：首先，提出的双重观测器架构首次解决间歇通信与部分可观性耦合难题，观测误差收敛时间T₁≤max{5‖ζ(0)‖^1-α/k₁,3‖σ(0)‖^1/2/k₂}；其次，设计的混合控制器突破传统间歇控制零输入切换的局限，通过动态增益调节实现控制效率提升30%；最后，整套方案仅需位置测量，与AUV常规传感器配置高度兼容。这项成果为水下协同作业提供了首个同时满足有限时间收敛、抗通信中断、免全状态测量的控制范式，在海洋环境监测、水下设施巡检等领域具有重要应用价值。