双吊舱式海上自主水面船的抗干扰视线路径跟踪：以新鸿船为例

《Ocean Engineering》：Anti-disturbance line-of-sight path following of dual-podded maritime autonomous surface ships: A case study of XIN HONG ZHUAN

海洋自主表面船（MASS）双 propeller 驱动系统路径跟踪控制研究，针对模型不确定性和风浪扰动，提出融合自适应LOS引导与并行ESO抗干扰的框架，通过多频ESO估计复合扰动，设计时变预瞄距离抑制轨迹偏移，闭环系统严格证明输入-状态稳定性。基于XIN HONG ZHUAN轮的虚实结合仿真验证了该方法有效性。

　　本研究聚焦于海上自主水面船舶（MASS）在配备双推进器系统的情况下，如何实现路径跟随控制。这类船舶在实际运行中面临着模型不确定性与复杂环境扰动，如风、浪等外部因素的影响，这使得精确的路径跟随控制成为一项极具挑战性的任务。为了解决这一问题，本文提出了一种融合自适应视线引导（Line-of-Sight, LOS）与并行扩展状态观测器（Extended State Observer, ESO）的控制框架，旨在提升MASS在动态环境下的导航性能与鲁棒性。

路径跟随控制是MASS自主导航系统中的关键环节之一，其核心目标是使船舶在运行过程中始终沿着预设的路径行进，同时保持一定的姿态控制。实现这一目标需要解决多个技术难题，包括如何精确估计船舶的偏航角、如何在复杂环境中快速调整路径跟随策略以及如何有效应对模型误差和环境扰动。传统方法中，LOS引导策略因其计算简便而在海洋应用中较为常见，但其在处理大偏航角或时变扰动时存在一定的局限性。例如，一些研究采用饱和反正切函数对偏航角进行补偿，但这种方法在偏航角较大时可能导致补偿不足，从而影响路径跟随的精度和稳定性。此外，固定长度的视线引导距离也限制了系统在不同航行条件下的适应性，无法有效应对多变的环境干扰。

针对上述问题，本文提出了一种创新的路径跟随控制方法，其主要特点在于引入自适应的视线引导策略和并行扩展状态观测器技术。首先，通过ESO直接估计偏航角，并将其纳入视线引导过程中，从而提升系统在大偏航角情况下的跟踪能力。其次，设计了一种基于平滑脉冲函数的时变视线引导距离，以加快路径跟随的收敛速度并减少轨迹超调。最后，通过并行ESO对模型不确定性和环境扰动进行联合估计，进一步增强系统的抗干扰能力。

在模型方面，本文采用了详细的Manipulative Modeling Group (MMG)模型，该模型能够更准确地描述船舶动力学特性，特别是对推进器和舵机的独立建模，有助于深入分析船舶在不同航行状态下的行为。与传统的单一频率ESO方法相比，本文提出的并行多频率ESO框架能够更全面地估计多频率扰动，从而实现对船舶速度和航向的精确控制。这一方法不仅提升了系统的动态响应能力，还增强了其在复杂环境下的鲁棒性。

本文的创新点在于，通过结合自适应视线引导与多频率ESO技术，实现了对MASS路径跟随控制的全面优化。与现有方法相比，本文的方法在以下几个方面具有显著优势。首先，传统的视线引导方法往往依赖于固定的视线距离，无法适应复杂环境中的变化，而本文提出的时变视线距离能够根据航行状态动态调整，从而提升系统的适应性。其次，本文采用ESO对偏航角进行直接估计和补偿，相较于使用饱和反正切函数的方法，能够更有效地处理大偏航角情况下的误差累积问题。最后，通过并行多频率ESO技术，本文不仅能够估计多种频率的扰动，还能够实现对速度和航向的协同控制，进一步提升了系统的整体性能。

在理论分析方面，本文基于级联系统理论对闭环系统的输入到状态稳定性（Input-to-State Stability, ISS）进行了严格证明。通过构建合适的控制律和观测器结构，确保了系统在面对外部扰动时仍能保持稳定运行。此外，本文还通过仿真验证了所提出方法的有效性，采用了一艘真实规模的MASS模型——“XIN HONG ZHUAN”进行测试。仿真结果表明，所提出的方法在复杂环境下能够实现更精确的路径跟随，同时具备更强的抗干扰能力，为实际应用提供了坚实的理论基础和实践依据。

在应用层面，本文所提出的方法对于提升MASS在真实海洋环境中的自主导航能力具有重要意义。随着自动化和智能化技术的发展，MASS在航运、物流、勘探等领域的应用日益广泛，其控制系统的可靠性与适应性成为关键问题。本文提出的控制方法不仅能够应对模型不确定性和环境扰动，还能够实现对船舶运动的精确控制，为未来MASS的实际部署提供了有力支持。

此外，本文的研究成果也对相关领域的控制理论和应用技术产生了积极影响。通过引入并行多频率ESO技术，本文拓展了ESO在船舶控制中的应用范围，使其能够处理更复杂的多频率扰动问题。同时，结合自适应视线引导策略，本文为提升船舶自主导航系统的动态响应能力提供了新的思路。这些技术的融合不仅提升了MASS路径跟随控制的性能，也为其他类型的自主水面船舶或水下航行器的控制设计提供了参考。

在技术实现过程中，本文强调了控制输入与船舶动力学模型之间的匹配性。传统方法中，许多控制策略依赖于复杂的模型参数或控制分配算法，这在实际应用中可能会带来较高的计算负担和实现难度。而本文通过选择推进器速度和推进器旋转角度作为控制输入，有效简化了控制系统的结构，提升了其实用性。这种控制输入的选择方式不仅符合双推进器系统的实际操作特性，还能够实现对船舶运动的精确控制，从而满足复杂环境下的路径跟随需求。

为了验证所提出方法的有效性，本文进行了详尽的仿真分析。仿真环境基于真实船舶数据构建，涵盖了船舶的尺寸参数、水动力导数以及实际航行条件下的环境扰动。通过对比不同控制策略在相同环境下的表现，本文展示了所提出方法在提升路径跟随精度和系统鲁棒性方面的显著优势。仿真结果表明，该方法在面对风、浪等复杂环境干扰时，能够保持较高的跟踪精度和稳定性，为MASS的实际应用提供了有力支持。

在实际应用中，MASS路径跟随控制的性能直接影响到船舶的安全性和效率。因此，本文所提出的方法不仅具有理论价值，还具备重要的工程意义。通过引入自适应视线引导和多频率ESO技术，本文为解决MASS在复杂环境下的路径跟随问题提供了新的解决方案，有助于推动海上自主航行技术的发展。此外，本文的研究成果还可以推广至其他类型的水面船舶或水下航行器，为自主控制系统的优化设计提供借鉴。

总的来说，本文通过创新性的控制策略和理论分析，为MASS路径跟随控制问题提供了有效的解决方案。所提出的方法在模型不确定性、环境扰动以及控制输入选择等方面均展现出优越性，能够显著提升MASS在复杂环境下的导航性能。通过仿真验证，本文进一步证明了该方法的可行性和有效性，为未来MASS的实际应用奠定了坚实基础。同时，本文的研究成果也为相关领域的控制理论和技术发展提供了新的思路和方向。