模糊自适应超螺旋滑模控制在基于动态协同误差修正的欠驱动USV编队中的应用

《Journal of Marine Science and Engineering》：Fuzzy Adaptive Super-Twisting Sliding Mode Control for Underactuated USV Formation Based on Dynamic Cooperative Error Correction

　　

为了在海洋扰动下维持欠驱动无人水面艇(USV)编队的稳定队形并减少控制抖振，研究人员提出了一种结合动态协同误差修正的模糊自适应超螺旋滑模控制方法。在运动学层面，提出了一种动态协同误差修正方案，纳入相邻艇体的相对位置信息。这实现了从独立跟踪向交互式协同的转变，从而提高了编队在机动过程中的刚性。其次，通过采用非线性扰动观测器设计了复合内环结构，以抵消外部载荷的影响。研究人员引入模糊逻辑系统，实时修正超螺旋滑模增益。该方法有效结合了快速误差收敛与信号平滑性，解决了响应速度与抖振抑制之间的权衡问题。此外，研究人员利用跟踪微分器和低通滤波器获得连续的控制信号。李雅普诺夫分析表明，闭环系统实现了半全局一致最终有界性。仿真结果表明，所提方法能够保持较高的编队精度，并获得平滑的控制输出，且抖振显著降低。

# 基于动态协同误差修正的欠驱动USV编队模糊自适应超螺旋滑模控制研究解读

## 1. 研究背景与问题提出

随着海洋资源开发与海事管理需求的日益增长，无人水面艇（Unmanned Surface Vehicle, USV）作为智能海洋装备的核心平台，在广域海洋环境监测、海上协同搜救和日常巡逻等领域展现出巨大的应用潜力。相较于单艘USV，多USV编队系统能够通过空间分布与协同配合显著提升整体执行效率、环境适应性和系统冗余度。然而，在真实海洋环境中，USV不仅具有固有的非线性水动力特性和欠驱动约束，还不可避免地受到风、浪、流等强时变环境扰动的持续影响。因此，设计一种高精度、强鲁棒且可平滑执行的多USV编队协同轨迹跟踪控制策略，是当前船舶与海洋工程领域亟待解决的关键难题。

在编队协同控制方面，现有主流策略包括领航者-跟随者法、行为法、图论与一致性策略以及虚拟结构法。领航者-跟随者架构对领航节点的过度依赖限制了系统鲁棒性；行为法难以提供严格的全局稳定性数学证明；而虚拟结构法将整个编队视为一个刚性体，为每个智能体提供明确的全局参考状态，在维持高精度几何构型方面具有显著优势。然而，现有的改进虚拟结构方法本质上仍是解耦的独立跟踪模式，其核心设计仅关注消除单艘USV与其对应虚拟参考点之间的绝对位置误差，忽视了相邻节点间的实时状态交互。在这种缺乏协同补偿机制的逻辑下，一旦某个成员因非均匀波浪扰动或紧急规避机动而偏离预设构型，其余成员无法根据该偏差自适应调整自身航行状态，最终导致整个编队的协同刚性和抗扰性能显著退化。

在底层轨迹跟踪控制方面，反步法严重依赖精确的动力学模型，模型预测控制面临复杂的在线滚动优化计算负担，而传统滑模控制方法虽然对模型不确定性和外部扰动具有强鲁棒性，但其固有高频抖振现象会导致执行器机械磨损。高阶滑模技术中的超螺旋算法通过将不连续切换项隐藏在积分作用中，有效实现了信号平滑，但通常采用固定趋近律增益。在真实海况下面对瞬态未知外部扰动时，增益过小会导致抗扰动能力不足，增益过大则会重新引入抖振，限制了最终稳态跟踪精度和环境适应性。

## 2. 研究内容与核心贡献

针对上述问题，研究人员提出了一种基于动态协同误差修正的模糊自适应超螺旋滑模控制策略。该策略并非现有算法的简单混合集成，而是深度耦合架构。其核心贡献体现在三个方面：其一，在传统虚拟结构法生成的标称轨迹基础上，引入包含局部邻居节点相对位置信息的协同误差项，实现从独立单艇轨迹跟踪到强耦合多艇协同保持的跨越，且不增加过多通信负担；其二，设计基于49条专家规则的模糊逻辑系统，对超螺旋控制增益进行实时在线动态优化，结合双曲正切函数，从数学结构上消除传统滑模控制中的不连续符号函数，降低执行器高频抖振；其三，集成非线性扰动观测器进行前馈补偿，并引入一阶低通滤波器和跟踪微分器平滑虚拟控制律及横荡速度二次导数，克服欠驱动横向控制缺乏直接驱动力的固有问题。

## 3. 关键技术方法概述

研究人员采用级联控制架构设计编队控制器。运动学外环基于动态协同误差修正机制设计虚拟速度控制律；动力学内环集成非线性扰动观测器、模糊自适应超螺旋滑模算法和微分平滑机制。仿真验证以三艘具有相同动力学特性的欠驱动USV为对象，采用文献中已建立的基准模型参数，构建包含低频正弦变化（海流）、高频随机高斯白噪声（随机波浪载荷）和阶跃信号（阵风）的混合扰动模型，同时施加传感器测量噪声、执行器物理饱和约束和通信传输延迟以模拟真实海况。

## 4. 研究结果分析

### 4.1 轨迹跟踪与编队刚性分析

二维轨迹跟踪结果表明，所提方法实现了精确的轨迹跟踪，等边三角形编队在复合环境扰动下保持刚性。非协同基线方案中，当USV2在t≈250 s遭遇突发阵风偏离航线时，USV1和USV3因缺乏协同反馈无法相应调整航行动态，导致编队拓扑完全破坏。定量分析显示，所提方法的编队均方根误差为0.2545 m，而非协同方案则增大至2.0861 m，证实了将邻域状态同步引入运动学回路对维持编队结构刚性的必要性。

### 4.2 速度跟踪与控制平滑性分析

所提方法确保了纵向和横荡速度误差的快速收敛且波动最小。固定增益超螺旋滑模方案（Baseline 1）在整个仿真过程中出现严重速度振荡，表明固定高增益切换项难以适应时变海洋扰动。模糊一阶滑模方案（Baseline 2）也存在明显的稳态误差和振荡现象。控制输入分析揭示，Baseline 2因使用常规符号函数而产生持续高频抖振，Baseline 1因采用保守的大固定增益而经常触发物理饱和限幅。所提方法通过模糊逻辑与超螺旋算法集成，动态调整切换增益，产生平滑连续的控制指令，其抖动指标（控制增量均方根）为0.6996，显著低于Baseline 1（1.7806）和Baseline 2（2.2378）。

### 4.3 通信不确定性鲁棒性测试

在20%随机数据包丢失率叠加极端阵风扰动的压力测试下，所提方法仍能成功跟踪期望路径，相邻相对距离严格保持在期望偏移附近。这表明跨层协同项能在通信不确定条件下有效维持编队刚性，验证了其参数不敏感性和实际应用价值。

### 4.4 与前沿算法对比分析

与固定时间滑模控制（FxTSMC）的对比结果表明，两种方法均实现了优秀的路径跟踪与编队保持性能，但在控制输入层面出现关键分歧。FxTSMC依赖不连续符号函数和超线性项，在离散数字实现下产生严重的高频控制抖振；所提方法通过超螺旋积分作用在保持同等高精度跟踪性能的同时完全消除了破坏性抖振，凸显了工程设计实用性。

## 5. 稳定性分析与讨论

基于李雅普诺夫理论的严格稳定性分析表明，闭环编队误差系统实现了半全局一致最终有界性（SGUUB）。研究人员通过统一李雅普诺夫函数框架同时纳入位置/滑模面误差、滤波误差和扰动观测误差，显式刻画了观测器与控制器之间的相互作用。通过调节协同增益、观测器增益和滑模趋近系数，收敛半径可压缩至任意小邻域，数学上严格验证了欠驱动USV能够精确跟踪动态期望轨迹并维持协同误差有界。

## 6. 研究结论与展望

为求解时变海洋扰动下欠驱动USV编队控制中的编队发散和高频抖振问题，研究人员引入了结合动态协同误差修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的协同误差修正机制改善动态交互，有效增强了复杂机动过程中的编队刚性和精度。动力学内环中，包含非线性扰动观测器和微分平滑的复合抗扰动结构在精确前馈补偿低频扰动的同时，有效避免了反步法易出现的复杂度爆炸和噪声放大问题。模糊逻辑系统实时优化增益，避免了不连续切换规则导致执行器抖振。仿真结果证明，所提方法能使系统状态快速收敛并维持稳定的编队构型，在产生平滑控制信号和减少推进系统机械磨损方面表现出色。该框架通过网络拓扑一致性误差直接耦合至运动学回路并消除对预设扰动边界的依赖，实现了深度结构集成，而非现有技术的简单组合。当前研究尚未考虑复杂受限区域内的内部碰撞约束和外部避障问题，未来将致力于在多USV集群协同中引入多约束智能避障机制，并在实船上进行验证与应用。