提升无人水面船舶的自动靠泊性能：一种结合襟翼舵驱动的有限时间观测器方法

《IEEE Access》：Enhancing Automatic Berthing of Unmanned Surface Vessels: A Finite-Time Observer Approach with Flapped Rudder Actuation

　　

摘要：

随着沿海事故频率的不断增加，近岸区域船舶的航行操作受到了越来越多的关注。因此，无人水面船（USVs）的自主泊靠已成为一个重要的研究焦点，尽管由于低速航行、浅水区域以及岸坡效应等因素，这一技术面临诸多挑战。本文提出了一种适用于配备可调节舵的USVs的自动泊靠控制方法，该方法采用了基于有限时间观测器的反步控制策略。所提出的方法结合了有限时间扰动观测器，能够实时估计并补偿风浪等外部干扰，而反步控制框架则确保了整个泊靠过程中的精确轨迹跟踪和系统稳定性。仿真结果表明，与传统控制策略相比，该方法显著提高了泊靠速度和抗干扰能力。有限时间观测器使得估计误差的收敛速度更快，反步控制器则增强了系统对不确定性的鲁棒性。在不同海况下的数值仿真验证了该控制方案的有效性，证明了其在实现USVs精确、稳定自主泊靠方面的优越性。有限时间观测器与反步滑模控制的结合，再加上可调节舵所提供的优异机动性，有效应对了自动泊靠过程中的复杂环境干扰和系统非线性问题，从而实现了高精度、高稳定性的自主对接。