基于对抗云数据合成与管道介质相似性图神经网络的海洋管道腐蚀速率预测

本文针对多无人艇(USV)系统提出了一种集碰撞避免与通信连通性维护于一体的规定时间规定性能编队控制方案。通过设计规定时间扩展状态观测器(ESO)重构未测量速度与集总扰动，结合规定性能函数(PPF)保证跟踪误差的瞬态与稳态性能，并利用对数人工势函数(APF)实现碰撞避免与连通性保持。李雅普诺夫稳定性分析证明所有闭环信号一致最终有界，编队跟踪误差在规定时间内收敛至预设性能界。

　　

核心创新点 (Highlight)

本研究通过四大创新技术突破多无人艇(USV)编队控制瓶颈：

1. 1.

   首创规定时间扩展状态观测器(Prescribed-time ESO)，在预设时间内精准重构领导者USV的未测量速度与系统集总扰动

2. 2.

   设计规定时间规定性能函数(Prescribed-time PPF)，通过误差变换严格约束跟踪误差的动态行为，同时保证瞬态与稳态性能

3. 3.

   构建对数型人工势函数(Logarithmic APF)，有效防止舰艇间碰撞并维持邻舰通信距离

4. 4.

   融合动态面控制(DSC)技术与上述方法，形成分布式规定时间协同控制框架，实现安全可靠的编队机动

主要成果 (Main results)

本研究成功开发出多USV编队分布式规定性能控制架构，该方案整合图论、规定时间控制、性能约束控制与ESO技术。通过理论推导与李雅普诺夫稳定性证明，系统可实现：

• •

  在预设时间内完成编队跟踪任务

• •

  所有跟踪误差严格满足预设性能边界

• •

  编队成员间自动规避碰撞

• •

  通信网络连通性持续保持

  控制律设计充分考虑实际执行器饱和约束，确保工程可实现性。

仿真验证与结论 (Simulation results and analysis)

采用经典Cybership II模型进行数值仿真，设置复杂海洋干扰环境：

τ_i,d = [5cos(0.15t)+2sin(0.3t), 3sin(0.25t)+4cos(0.2t), 4sin(0.35t)+3cos(0.1t)]^T

执行器饱和约束为：

-500N ≤ τ_i,u ≤ 500N

-500N ≤ τ_i,v ≤ 500N

-200N·m ≤ τ_i,r ≤ 200N·m

仿真结果表明：所提控制方案在强干扰与饱和约束下仍能维持编队形态，跟踪误差在预设时间2.5秒内收敛至性能边界，且无碰撞与通信中断现象。与传统方法相比，展现出更优的瞬态响应与鲁棒性能。

研究结论 (Conclusions)

本研究成功解决外部环境扰动与模型不确定性下的USV编队控制难题，通过四大技术突破实现：

1. 1.

   规定时间ESO精准补偿未测量速度与集总扰动

2. 2.

   误差变换技术保证跟踪误差满足严格性能约束

3. 3.

   对数APF实现碰撞避免与连通性保持双目标

4. 4.

   分布式控制架构确保系统在全工况下的稳定性

   该方案为海洋无人系统协同作业提供了理论支撑与工程实践指南。