摘 要

水面无人船（Unmanned Surface Vehicles ，USV）编队，本文称自主船编队，因具有分布式协作能力、较强的容错能力和鲁棒性等优势，可广泛应用于水上搜寻救助、环境勘探和航运贸易等海事领域，国内外学者就自主船及其编队的导航、制导和控制领域展开了广泛的研究。但鲜有学者对自主船编队在具体场景的应用进行研究。本文在考虑船舶操纵性的前提下采用领航-跟随法建立了自主船编队模型，基于水上搜寻场景设置了参考轨迹，并设计了线性模型预测控制（Linear Model Predictive Control，LMPC）控制器进行自主船编队的轨迹跟踪，仿真实验结果显示控制方法可以有效的保持自主船编队稳定性并实现较好的轨迹跟踪完成水上搜寻任务。本文设计的自主船编队搜寻方法与传统的水上搜寻方法进行对比，自主船编队展现出更高的效率和安全性，在涉及生命和财产安全的搜寻救助领域具有较高的研究和应用价值。

关键词：水面无人船；编队；水上搜寻；模型预测控制；轨迹跟踪

Abstract

Unmanned Surface Vehicle（USV）formations, also known as autonomous ship formations, can be widely used in the maritime fields such as search and rescue, environment exploration and shipping trade due to their advantages of distributed collaboration, high fault tolerance and robustness. Scholars at home and abroad have conducted extensive research on the navigation, guidance and control of USVs and USV formations. However, few scholars have studied the application of autonomous ship formations in specific scenarios. In this paper, the leader-follower method is used to establish the USV formation model under the premise of considering the maneuverability of the ship. The reference track is set based on the water search scene, and the linear model predictive control（LMPC） controller is designed to realize the trajectory tracking of the USV formation. Simulation test results show that the control method can effectively maintain the stability of the USV formation and achieve good trajectory tracking to complete the water search task. In this paper, the USV formation search method is compared with the traditional water search method. The former shows higher efficiency and safety, and has high research and application value in the field of search and rescue involving life and property safety.

Key Words: USV formation; Water search; model predictive control; trajectory tracking

目录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 论文结构及主要内容 5

第二章 自主船运动模型建模 7

2.1 自主船单船运动模型建模 7

2.2 自主船编队运动模型建模 10

第三章 基于模型预测控制的单船轨迹跟踪 11

3.1 MPC原理 11

3.2 LMPC控制器设计 11

3.3 单船LMPC轨迹跟踪仿真实验 13

3.3.1 参数设置 13

3.3.2 实验结果分析 14

3.4 小结 16

第四章 基于领航跟随法的自主船编队控制 17

4.1 基于领航-跟随法的自主船编队 17

4.2 领航者-跟随者控制器设计 18

4.3 自主船编队控制仿真实验 19

4.3.1 参数设置 19

4.3.2 实验结果分析 19

4.4 小结 22

第五章 应用于水上搜寻的自主船编队 23

5.1 搜寻参考轨迹设计 23

5.2 自主船编队进行水上搜寻仿真实验 25

5.2.1 参数设置 25

5.2.2 实验结果分析 25

5.3 小结 35

第六章 结论及展望 35

6.1 结论 35

6.2 展望 36

参考文献 38

致谢 41

第一章 绪论

1.1 引言

近些年来，随着人工智能和自动化控制等理论和技术的进步，无人驾驶运载工具成为交通领域研究的热点。无人驾驶运载工具相比有人运载工具具有独特的优势，在商业、军事、科研调查、搜寻救助和环境保护等领域拥有广阔的应用前景。目前，对无人飞行器（UAV：Unmanned Aerial Vehicles）和无人驾驶车辆（UGV：Unmanned Ground Vehicles）的研究远远超过了对无人驾驶船舶（USV：Unmanned Surface Vehicles）的研究，而地球近2/3的面积被海洋覆盖^[1]，全球近90%的贸易由航运承担完成，同时据统计70%的船舶事故由人为因素导致，无人驾驶船舶可以在避免上述情况的前提下保持高效，因此无人驾驶船舶的导航，制导和控制（NGC：Navigation，Guidance and Control）系统^[2]有极高的研究价值。

与此同时，随着计算机技术和无线通信技术的发展，多个自主船组成的协作编队已经被证明相较单船，克服了体积小、容量低的缺点，能充分获取当前的环境信息，缩短执行任务的时间，提高系统的工作效率，在对抗性环境中能增强抵抗外界干扰的能力，并且能够提高鲁棒性。因此编队控制在无人驾驶运载工具研究领域中的应用也得到了广泛的关注和研究。无人驾驶船舶和/或有人船组成的船舶集群在本文中定义为自主船编队。自主船编队优势分析如下：

1.自主船编队系统中的每艘船是分布在不同位置上的，可以同时在工作空间中的不同位置完成各自的工作，同时又可以将单独完成的工作有机的结合起来，使整体工作快速有效地的得到完成。^[3]