UA-FusionDet：面向海上船舶感知的未配准感知红外-可见光融合与跨模态特征对齐方法

《Journal of Marine Science and Engineering》：UA-FusionDet: Unregistered-Aware Infrared-Visible Fusion with Cross-Modal Feature Alignment for Maritime Ship Perception

　　

为在海洋扰动下维持欠驱动无人水面艇（USV）稳定编队并抑制控制抖振，研究人员提出一种结合动态协同误差校正的模糊自适应超螺旋滑模控制方法。在运动学层级，设计动态协同误差校正方案以纳入邻艇相对位置信息，使编队由独立跟踪转向交互协同，提升机动过程中的编队刚性。其次，设计复合内环结构，采用非线性扰动观测器（NDO）抵消外部载荷影响，并引入模糊逻辑系统实时调节超螺旋滑模增益，在快速误差收敛与信号平滑间取得平衡，解决响应速度与抖振抑制的权衡问题。此外，利用跟踪微分器与低通滤波器获取连续控制信号。李雅普诺夫（Lyapunov）分析表明闭环系统达到半全局一致最终有界（SGUUB）。仿真结果显示该方法可维持高编队精度并获得平滑控制输出，显著降低抖振。

研究背景与动机：随着海洋资源开发需求增长，欠驱动无人水面艇（USV, Underactuated Unmanned Surface Vehicle）编队在广域监测、协同搜救与巡逻中潜力显著，但真实海况下USV兼具非线性水动力特性、欠驱动约束及风浪流强时变扰动，现有编队策略存在两类瓶颈：一方面，虚拟结构法虽能提供全局参考，但外环多为解耦独立跟踪，缺乏邻域状态交互，单艇受非均匀波扰偏离后其余成员无法自适应补偿，编队协同刚性与抗扰性下降；另一方面，底层轨迹跟踪中反步法依赖精确模型、模型预测控制在线计算负担重，传统一阶滑模（SMC）因符号函数不连续引发高频抖振，固定增益超螺旋算法（STA）在保守高增益与低增益抗扰不足间陷入两难。为此，研究人员在《Journal of Marine Science and Engineering》发表研究，提出将动态协同误差校正嵌入运动学外环、并以模糊自适应超螺旋滑模构成动力学内环的深层耦合架构。

主要关键技术方法：研究人员采用3自由度欠驱动USV数学模型，外环基于虚拟结构法生成名义期望轨迹，引入含邻域相对位置的动态协同误差项修正期望位姿；内环构建非线性扰动观测器（NDO）对集总扰动进行前馈补偿，纵向与艏摇通道分别设计积分型超螺旋滑模面，以双曲正切函数替代符号函数，并由49条专家规则的Mamdani模糊系统依据滑模面s及其变化率?在线调节STA增益；为规避反步法“微分爆炸”，纵向与横向虚拟控制量经一阶低通滤波，横向因欠驱动无直接侧向推力，借助跟踪微分器（TD）平滑横向速度二阶导以抑制噪声放大；稳定性由李雅普诺夫理论证明半全局一致最终有界（SGUUB）。仿真以3艘同构USV追踪正弦轨迹、保持边长30 m等边三角形编队，扰动模型融合低频正弦流、高频高斯白噪与阶跃阵风，并加入传感器噪声、执行器饱和（推力与艏摇矩限值）及0.1 s通信延迟。

研究结果：

1. 2.
   问题建模（Problem Formulation）：建立地球系下运动学方程与体坐标系下含附加质量、阻尼及集总扰动τ_d的3-DOF动力学方程；基于虚拟结构法定义名义期望点，指出传统绝对参考跟踪在复杂扰动下难以维持刚性，需引入邻域修正。
2. 3.
   控制器设计（Design of Adaptive Sliding Mode Controller）：3.1节运动学外环给出协同误差动态修正律（式3），将堆叠协同误差写为图拉普拉斯矩阵L形式，在含生成树的通信拓扑下收敛至一致性流形；虚拟速度控制律（式5）引入动态权值防初值奇异，一阶低通滤波（式6、7）得滤波代理量。3.2节动力学内环：纵向定义积分滑模面s_u（式8），以tanh替换sign构造平滑STA推力律（式10-11）；横向因欠驱动无v向控制输入，定义复合滑模面s_v（式12），用离散跟踪微分器（式14）输出平滑v及v?替代解析微分，得艏摇矩律（式15）；模糊自适应机制以s与?为输入输出Δk_i，七级语言变量、三角/Z/S型隶属度、质心法解模糊（式16）；3.3节NDO（式17）估计纵荡与艏摇集总扰动，观测误差指数收敛，最终复合控制律（式19）将NDO估计前馈与模糊STA反馈叠加。
3. 4.
   稳定性分析（Stability Analysis）：在扰动可导有界（Assumption 1）与通信图含生成树（Assumption 2）下，构造含位姿误差、滑模面、滤波误差、NDO估计误差的李雅普诺夫函数V（式22），经Young不等式放缩得V?≤?αV+β（式24），解得误差指数收敛至半径ρ超球，理论证得SGUUB，且ρ可通过协同增益、观测器带宽与滑模系数压小。
4. 5.
   仿真验证（Simulation Verification）：5.1节实景海况建模含正弦流+高斯噪+阶跃阵风及0.1 s丢包延迟，单步耗时远小于0.1 s满足嵌入式实时；5.2节消融设完整法、固定增益STA、模糊一阶SMC、去协同项四组；5.3节图5-8及表3显示完整法位置RMSE最低、编队RMSE 0.2545 m（无协同组2.0861 m），控制增量RMS dU 0.6996（固定STA 1.7806、模糊SMC 2.2378），USV2在250 s突风下无协同组编队拓扑破坏而完整法保持30 m边长；5.4节20%丢包下相对距离仍收束；5.5节对比固定时间滑模（FxTSMC），两者跟踪精度相当，但FxTSMC因sign与分数幂项产生高频抖振，完整法因STA积分作用消除该现象。

讨论与结论翻译：为解决时变海洋扰动下欠驱动USV编队分散与控制高频抖振问题，研究人员提出融合动态协同误差校正的模糊自适应超螺旋滑模控制方案。运动学外环利用邻域信息协同校正增强机动交互与编队刚性；动力学内环以非线性扰动观测器与微分平滑构成复合抗扰结构，精确前馈补偿低频扰动，规避反步法复杂度爆炸与噪声放大；模糊系统实时优化增益以消除不连续切换所致执行器抖振。仿真表明系统状态快速收敛、编队稳定、控制信号平滑且降低推进机构机械磨损。该框架非既有算法简单拼接，而是将拓扑一致性误差直接耦合进运动学环、摆脱对预定扰动界的依赖；20%丢包鲁棒测试及与前沿固定时间控制器对比印证其在复杂通信与物理环境中的工程实用性。当前研究尚未纳入受限水域内部碰撞约束与外部避障，未来将把多约束智能避障机制融入USV群协同并在实船验证。