基于椭圆形盘面的碰撞避免技术在输入饱和条件下的欠驱动水面船舶编队跟踪控制中的应用

《Journal of Marine Science and Engineering》：Elliptical Disk-Based Collision Avoidance for Formation Tracking Control of Underactuated Surface Vessels Under Input Saturation

　　

摘要

本文研究了在避碰和输入饱和约束条件下，对于欠驱动水面航行器（USVs）的编队跟踪问题。许多现有的基于APF（人工势函数）的编队控制方法通过使用单一参考点或中心间距来制定避碰策略，但这在近距离操控时可能无法提供足够的几何信息。为了提高航行安全性，本文提出了一种基于椭圆盘的避碰机制，在每个USV的船首、船尾、左舷和右舷设置了安全点，从而可以同时施加多个特征点距离约束。为了应对模型不确定性和外部干扰引起的未知非线性问题，设计了一个基于神经网络的观测器来估计不可获得的速度状态和累积干扰。通过整合人工势函数（APFs）、观测器和反步技术，合成了分布式控制律。引入了额外的控制器来解决输入饱和和欠驱动问题，同时保持避碰能力。利用李雅普诺夫理论严格证明了闭环系统的稳定性。仿真结果表明，与传统的单点方法相比，所提出的方法在近距离操控性能上更为安全。