曾江峰,謝楊柳,金哲毅,楊遠鵬,韓 瑋

(1. 中國船舶集團有限公司系統(tǒng)工程研究院, 北京 100094;2. 中船智海創(chuàng)新研究院有限公司, 北京 100094)

0 引言

海洋因其擁有豐富的油氣資源、礦物資源和生物資源,成為了人類可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略空間,也是人類經濟、生活與科學研究的重要場所。世界各國為了增強對于海洋空間的控制權,不斷加強對于海洋無人裝備的研發(fā),在眾多海洋無人裝備中,水面無人艇作為高效的海洋開發(fā)利器越來越受到重視。水面無人艇雖然具有自主性強、可靠性高及成本低等優(yōu)點,但單水面無人艇在面對寬廣海域環(huán)境以及規(guī)模性任務場景等問題時作業(yè)能力的局限性也逐漸凸顯出來,存在諸如作業(yè)范圍小、載荷類型單一和生存能力差等問題,這促使人們將研究焦點逐漸轉移到多水面無人艇集群編隊控制問題中來,并在理論研究與工程應用等方面持續(xù)進行了努力[1-2]。

水面無人艇集群通常由若干水面無人艇組成,并協(xié)作或獨立地完成復雜的任務,集群中的水面無人艇彼此交換信息,形成一個整體。水面無人艇集群編隊通常指若干水面無人艇進行有序、緊密的隊形運動,以滿足整體的協(xié)同和同步。水面無人艇集群比較傾向于任務協(xié)作與資源共享的內涵,而水面無人艇集群編隊更多地表示協(xié)調運動。水面無人艇集群編隊控制主要通過將多艘水面無人艇形成一個具有穩(wěn)定隊形的艇群團體,彼此之間進行信息交互,并以協(xié)同的方式執(zhí)行編隊航行任務。

水面無人艇集群執(zhí)行編隊航行任務時,通常先由上層指控系統(tǒng)根據(jù)任務需求確定編隊航行區(qū)域、起始位置和航行速度等基本要求,然后通過規(guī)劃系統(tǒng)根據(jù)態(tài)勢感知系統(tǒng)獲得的障礙物信息進行編隊航行路徑規(guī)劃,最后將編隊航行路徑發(fā)送至下層艇端編隊航行控制系統(tǒng)與單艇運動控制系統(tǒng),控制水面無人艇滿足運動要求。

水面無人艇集群編隊控制系統(tǒng)的信息協(xié)同可以通過傳感器信息共享、集中式控制及分布式算法等方式實現(xiàn)。傳感器信息共享主要是將光電跟蹤儀、導航雷達和攝像機等的目標探測信息與艇群中各水面無人艇共享。集中式控制主要是建立控制中心并利用通信網絡來保證艇群中的指令與狀態(tài)信息實時同步,分布式算法主要通過合理的任務分配與資源調配實現(xiàn)集群的計算負載與信息的共享。

在面對復雜任務時,相比于單艘水面無人艇的航行控制方式,對多艘水面無人艇進行集群編隊控制可取得以下技術優(yōu)勢[3]:

1)能夠突破單艘水面無人艇載荷探測能力的限制,擴大艇群的態(tài)勢感知區(qū)域,對于特定區(qū)域的搜索任務可以提高目標發(fā)現(xiàn)概率;

2)能夠通過多艇搭載低成本傳感器進行能力互補,以代替?zhèn)€別單艇搭載高性能設備的技術方案,可以有效降低運營成本;

3)能夠提高任務系統(tǒng)的魯棒性與容錯能力,在單艘水面無人艇失能或失效的情況下,對任務的整體性影響較小;

4)在護航任務中,能夠有效防御來自多個方向的威脅,增強守衛(wèi)目標的安全性;

5)在入侵目標圍捕任務中,能夠利用特定的圍捕隊形從不同角度對目標進行攔截,提高任務完成率。

當前,受阻于水面無人艇運動模型與海洋環(huán)境中風、浪、流干擾力的不確定性、海平面的二維約束性以及水面無人艇的欠驅動特性等因素,前期技術已經發(fā)展較為成熟的其他無人系統(tǒng)編隊控制理論較難直接應用于水面無人艇集群編隊控制中。這一方面限制了水面無人艇集群編隊控制技術的發(fā)展,另一方面也促使國內外相關學者不斷探索新的方法來解決水面無人艇集群編隊控制技術難題。

本文將分別從水面無人艇集群編隊控制的國內外應用情況、技術研究現(xiàn)狀和研究展望等方面,系統(tǒng)性地總結水面無人艇編隊控制的研究進展,以期為水面無人艇集群編隊控制技術的發(fā)展提供思路與參考。

1 國內外應用情況

1.1 國外應用情況

目前,國外在水面無人艇集群編隊控制的應用方面已經取得了較為顯著的進展,公開的報道主要集中在美國、法國與英國等國。

2014年8月,美國海軍在弗吉尼亞州的詹姆士河進行了13艘水面無人巡邏艇的集群編隊協(xié)同搜索與圍捕試驗。在該演習中,5艘水面無人巡邏艇為自主控制方式,另外8艘為遠程遙控方式,因此僅實現(xiàn)了半自主的集群協(xié)同作戰(zhàn),但驗證了其所開發(fā)的“分散與自動數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)”(DADFS)和“機器人智能指揮與感知控制體系架構”(CARACaS)在任務分配與自主決策等方面的有效性。

2016年10月,美國海軍再次利用CARACaS軟件系統(tǒng)進行了4艘水面無人艇的自主集群編隊巡邏與入侵目標跟蹤試驗。在這次演習中,4艘水面無人艇能夠共同守衛(wèi)港口目標,當感知到有未知艦艇入侵后,能夠調度最有效的水面無人艇進行跟蹤驅離,同時對其余水面無人艇進行任務重新分配以繼續(xù)執(zhí)行巡邏任務。

2016年10月,英國海軍開展了代號為“無人戰(zhàn)士-2016”的大規(guī)模無人系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)演習,參與演練的有無人機、水面無人艇及水下無人航行器等50余部無人系統(tǒng)裝備,完成了集群編隊區(qū)域搜索、戰(zhàn)場情報收集等任務,并驗證了水面無人艇在跨域集群系統(tǒng)中協(xié)同作戰(zhàn)的重要性[4]。

2017年5月至6月期間,法國海軍組織了由無人機、水面無人艇及水下無人航行器參與的協(xié)同作戰(zhàn)演習。在該演習中,各無人系統(tǒng)裝備通過I4 Drones任務系統(tǒng)完成了對可疑目標艦艇的協(xié)同探測、識別與模擬摧毀等任務[5]。

2021年4月,美國海軍進行了名為“無人系統(tǒng)綜合戰(zhàn)斗問題21”的有人-無人裝備聯(lián)合演習。參與該次演習的水面無人艇有著名的“海上獵手”號、“海鷹”號以及“魔鬼射線”號等,有人艦艇包含了在役的幾艘巡洋艦和驅逐艦,演習主要完成了集群協(xié)同反潛、協(xié)同反水雷以及協(xié)同態(tài)勢構建等有人-無人裝備的綜合運用[6]。

2021年10月,美國海軍利用有人巡邏艇與兩艘MANTAS T-12水面無人艇進行了代號為“新地平線”的海上編隊航行與協(xié)同作戰(zhàn)演練,如圖1所示。此外,主要由“海上游騎兵”“游牧民”等水面無人艇組成的美國海軍“幽靈艦隊”項目已處于第二階段的試驗籌備中,下一步將與“海上獵人”號水面無人艇結合,進一步開展相關的協(xié)同作戰(zhàn)試驗工作[7]。

圖1 演習中的巡邏艇與兩艘MANTAS T-12水面無人艇Fig.1 A patrol boat and two MANTAS T-12 USVs during the maneuver

從國外應用情況來看,各國比較重視通過水面無人艇集群來提升綜合戰(zhàn)斗能力,水面無人艇與有人艇以及其他領域的無人平臺進行跨域協(xié)同成為一種趨勢。

1.2 國內應用情況

國內對于水面無人艇集群編隊控制技術的應用主要集中在高校、企業(yè)以及科研院所,從目前公開的資料來看主要有以下情況。

2018年1月,華中科技大學利用自主研發(fā)的HUSTER系列水面無人艇實現(xiàn)了多艇組網通信、十字形與環(huán)形集群編隊航行、可疑目標圍捕等湖上試驗[8]。2018年5月,云洲智能科技有限公司在中國南海利用56艘水面無人艇進行了集群編隊航行,并協(xié)同組成了不同的圖案形狀,如圖2所示[9]。2019年1月大連海事大學實現(xiàn)了7艘水面無人艇的“一字形”、“人字形”與“環(huán)形”編隊航行控制試驗,并驗證了協(xié)同路徑跟蹤、協(xié)同目標跟蹤等集群協(xié)同控制能力[10]。2022年1月,中國船舶集團系統(tǒng)工程研究院在三亞海域采用3艘不同噸位的“玄龍”系列水面無人艇完成了“一字形”“三角形”及“環(huán)形”等構型條件下的編隊航行控制系統(tǒng)驗證試驗,如圖3所示。

圖2 云洲水面無人艇集群方陣演示Fig.2 YUNZHOU USV swarm formation

圖3 系統(tǒng)院“玄龍”系列水面無人艇集群編隊航行試驗Fig.3 SERI “XLOONG” series USV swarm formation navigation test

從國內應用情況來看,各研究機構大多還處于演示驗證研究階段,與國外技術應用的進展相比仍存在一定差距。

2 技術研究現(xiàn)狀

水面無人艇集群編隊控制的主要目標為控制若干艘水面無人艇在給定的幾何構型約束下穩(wěn)定航行于預定路徑之上,同時各艇的平均航速能夠滿足規(guī)定要求?；诖?水面無人艇集群編隊控制需要重點解決初始階段的編隊形成、穩(wěn)定階段的編隊保持、不同構型之間的編隊變換以及成員艇加入或退出時的編隊重構等問題。

2.1 水面無人艇集群編隊典型隊形

水面無人艇集群編隊隊形設計是實現(xiàn)編隊控制的前提條件。典型的水面無人艇編隊隊形主要包括縱向一字形、橫向一字形、菱形及梯形等,其他復雜的編隊隊形可依據(jù)上述典型隊形進行結構演化。編隊隊形的數(shù)學表征通常可選取某一條成員艇或隊形的幾何中心為參考點,其余成員艇則以參考點為基準通過相對距離與相對方位角確定各自在編隊中的期望位置。以4艘水面無人艇組成的集群系統(tǒng)為例,典型的編隊隊形形式如圖4所示。

圖4 水面無人艇集群編隊典型隊形Fig.4 Typical USV swarm formations

水面無人艇集群編隊隊形的選擇與使用通常需要根據(jù)集群任務特點來確定。以上述典型編隊隊形為例,對各隊形形狀的適用性簡要分析如下:

橫向一字形:通常應用于協(xié)同搜索類任務,能夠同時覆蓋更大的探測面積,且個別艇的失能不會對其余艇的航行形成阻礙。但橫向一字形在回轉過程中各艇較難連續(xù)保持隊形要求的期望位置,且橫向一字形編隊橫向跨度較大,編隊航行時需要較大的可通行水域面積。

縱向一字形:通常作為艇群布放完成后由離散狀態(tài)進入規(guī)律編隊運動狀態(tài)的初始目標隊形,通過此隊形能較好地控制艇群完成航渡過程。此外,在艇群穿越狹窄水域時,縱向一字形也是集群編隊的優(yōu)選隊形。但縱向一字形縱向跨度較大,編隊航行駐停時對于水域面積要求也比較高。

菱形:便于艇群進行全向警戒,由于艇群中各艇分布較為集中,艇群內部之間信息傳輸效率比較高,且編隊航行過程中對于可通行水域面積要求較低,比較適合作為艇群駐留于特定區(qū)域時的目標隊形。

梯形:兼具橫向編隊與菱形編隊的特點,成員艇的失能對其余艇的運動影響也比較小,艇群分布相對集中,在編隊回轉過程中各艇比較容易持續(xù)保持隊形要求的期望位置。

以上為水面無人艇集群編隊常見的幾種隊形,更為復雜的隊形可根據(jù)成員艇數(shù)量、成員艇特性、使命任務類型等進行拓展。

2.2 水面無人艇集群編隊控制系統(tǒng)結構

當前,常見的水面無人艇集群編隊控制系統(tǒng)結構主要包括集中式、分散式以及分布式等,如圖5所示。其他無人系統(tǒng)研究較為超前的自組織等方式在水面無人艇領域應用較少,因此本文不做過多討論。

(1)集中控制方式

集中控制方式一般通過領導艇的中央控制器對整個艇群進行編隊控制。集中控制方式易于協(xié)調,控制能力強,便于達到最優(yōu)的全局控制性能。但是,集中控制方式對于領導艇的依賴性較強,且對于領導艇艇端的計算資源、通信帶寬等要求較高,指揮艇端出現(xiàn)計算故障或通信延遲對于各成員艇的控制效果將會產生直接影響。

(2)分散控制方式

分散控制方式中沒有統(tǒng)一的中央控制器,每個水面無人艇由其對應的控制器進行獨立控制,各控制器之間為平行關系。分散控制時,由于各成員艇均不掌握艇群的全局狀態(tài)信息,集群編隊較難實現(xiàn)全局最優(yōu)控制,但任意一艘成員艇的控制器故障均不會對艇群造成整體性影響,且編隊節(jié)點易于擴展。

(3)分布控制方式

分布控制方式主要在分散控制方式基礎上增加各控制器之間的信息交互,通過相鄰水面無人艇個體之間的協(xié)調,完成整個編隊的控制目標。在分布控制方式中,艇群中每艘水面無人艇只與極少數(shù)成員艇進行信息交互,因此對通信帶寬的要求較低,且能夠動態(tài)修改控制系統(tǒng)結構,具有魯棒性強、適應性好等優(yōu)點。

(a) 集中控制方式

(b)分散控制方式

(c)分布控制方式圖5 水面無人艇集群編隊控制系統(tǒng)結構Fig.2 Structure of USV swarm formation control system

從目前應用情況來看,集中控制方式和分布控制方式因其可實現(xiàn)性強、適應性好,得到了相對較多的使用,以此為基礎的其他復合式控制方式也在逐步發(fā)展。

2.3 水面無人艇集群編隊協(xié)同控制方法

為了更加清晰地描述水面無人艇集群編隊協(xié)同控制方法的研究進展,本文遵循無人系統(tǒng)編隊控制領域通常的分類方法,即“領導者-跟隨者”法、虛擬結構法、基于行為法及基于圖論法等進行總體性闡述,在該分類體系之下,重點分析當前研究者所采用的典型控制方法以及解決的關鍵技術問題。

(1)“領導者-跟隨者”法

在“領導者-跟隨者”法中,領導者水面無人艇具備艇群的全局信息,有時為了提高系統(tǒng)的魯棒性可以設計一個虛擬領導者,各跟隨者水面無人艇通過控制本艇與領導者水面無人艇的相對距離與相對方位關系實現(xiàn)編隊控制[11-12]?！邦I導者-跟隨者”法因其結構簡單易于實現(xiàn),在當前無人系統(tǒng)編隊控制領域中得到了大量關注與應用[13-15]?！邦I導者-跟隨者”法擁有工程實踐上的優(yōu)勢,但該方法的一個主要缺點就是假設所有跟隨者水面無人艇都能夠得到領導者水面無人艇的狀態(tài)信息,領導者水面無人艇在“領導者-跟隨者”編隊控制中起著至關重要的作用,一旦領導者水面無人艇的控制系統(tǒng)崩潰,例如執(zhí)行器故障、通信中斷等,整個艇群將無法維持規(guī)定的隊形[16-18]。

Peng等[19]針對存在模型不確定性和海洋環(huán)境力擾動情況下的水面無人艇編隊控制問題,采用“領導者-跟隨者”控制系統(tǒng)結構,并基于神經網絡和動態(tài)面控制技術提出了一種魯棒自適應控制器,所提出的控制方法可以使用局部傳感器對距離和角度進行測量,減少了對領導者信息的依賴。Shojaei 等[20]引入了一種新的二階“領導者-跟隨者”水面無人艇編隊控制模型,并采用廣義飽和函數(shù)來應對執(zhí)行器控制輸入飽和問題,同時利用神經網絡和自適應技術來處理控制系統(tǒng)的不確定性問題。針對執(zhí)行器飽和以及系統(tǒng)未知非線性問題,Zhou等[21]則在“領導者-跟隨者”控制系統(tǒng)框架下引入了一種輔助項來應對輸入約束問題,并使用自適應模糊方法來估計水面無人艇模型中的未知非線性項。Jin等[22]提出了一種容錯“領導者-跟隨者”編隊控制方案,只通過視線范圍和角度的測量值來進行控制而不需要引導器有關的其他信息,所提出的控制方法能夠保證在執(zhí)行器故障和系統(tǒng)不確定性情況下編隊跟蹤誤差的收斂性。Wang等[23]提出了一種基于分布式深度強化學習算法的“領導者-跟隨者”水面無人艇編隊控制方案,該技術方案可使水面無人艇編隊具備適應性和擴展性兩種能力,即能夠任意增加水面無人艇的數(shù)量或改變編隊的形狀,并通過計算機仿真對算法的有效性進行了驗證。Huang等[24]針對水面無人艇編隊中的環(huán)境力擾動、模型不確定性和輸入飽和約束下的有限時間控制問題,提出了一種基于徑向基函數(shù)神經網絡與最小學習參數(shù)算法的編隊控制方案,能夠實現(xiàn)編隊控制誤差的有限時間收斂并能緩解計算資源的過度占用問題。Dong等[25]提出了一種動態(tài)面滑模控制與橫向速度跟蹤微分器相結合的“領導者-跟隨者”編隊控制方法,能夠有效應對復雜海洋環(huán)境力擾動以及控制器的振蕩等問題。Liu等[26]針對水面無人艇編隊通過狹窄和不規(guī)則通道的場景,建立了具有兩個領導者水面無人艇的路徑跟蹤控制系統(tǒng),并設計了一個帶有軌跡狀態(tài)估計器的掃描編隊控制器以供跟隨者跟隨領導者,從而保證編隊完成穿越任務。

(2)虛擬結構法

虛擬結構法將期望的編隊隊形當作一個虛擬的剛性結構來處理。在編隊控制過程中,虛擬結構沿著參考路徑運動,艇群中各水面無人艇實時跟蹤各自位于虛擬結構中的期望節(jié)點以完成構型保持[27]。虛擬結構法通常不需要真實領航者存在,但有時會引入虛擬領航者建立編隊控制策略。虛擬結構法在編隊保持時容易獲得較好的控制性能,但隊形靈活性較低,編隊避障實現(xiàn)過程較為復雜。

Ghommem等[28]基于虛擬結構法與反步法控制技術,將水面無人艇編隊控制器分為編隊形狀保持和編隊路徑跟蹤兩部分,并考慮了欠驅動水面無人艇的動力學特性,實現(xiàn)了路徑跟蹤過程中的編隊保持。Do等[29]研究了具有橢圓形和有限感知范圍的多智能體編隊控制問題,提出了一種包含避碰策略的協(xié)同控制器,能夠避免避障過程中智能體在有限感知范圍內的來回切換。Do等[30]提出了一種基于虛擬結構法的分布式編隊控制器,該控制器能夠在海洋環(huán)境干擾力存在的情況下控制艇群中各艇執(zhí)行規(guī)定的同步運動跟蹤任務,并確保各艇之間不會發(fā)生碰撞。Yin等[31]基于制導-控制形式的編隊控制器框架,提出了一種基于虛擬領導者和被動性協(xié)調方法的水面無人艇編隊控制策略,通過一致性控制律與混合控制理論能夠實現(xiàn)協(xié)調控制器在不同海洋任務之間的平穩(wěn)切換。Seok等[32]研究了異構有限通信范圍內具有組網不確定性的欠驅動水面無人艇分布式連通保持和防撞編隊跟蹤控制問題,所提出的控制方法能夠實現(xiàn)初始連接保持、艇間避障以及分布式編隊跟蹤控制等,而不需要切換編隊隊形以及使用附加的勢函數(shù)。Liu等[33]研究了環(huán)形組網的欠驅動水面無人艇集群在封閉曲線上的協(xié)同編隊路徑跟蹤控制問題,提出了一種基于協(xié)同制導律與反步法控制器的編隊控制方法,能夠實現(xiàn)在缺少全局參考速度信息情況下的協(xié)同編隊路徑跟蹤控制。Yan等[34]基于虛擬結構法與人工勢場法,提出了一種水面無人艇編隊生成算法和編隊避障策略,由于考慮到了水面無人艇的機動能力并應用了改進動態(tài)窗口方法對編隊參考點進行設計,該算法可以保證水面無人艇集群在編隊保持控制的同時避開障礙物。Li等[35]針對水面無人艇與無人機的協(xié)同編隊路徑跟蹤控制問題,設計了一種虛擬船舶-虛擬飛機制導原理,能夠為異構無人系統(tǒng)生成準確的參考航向信號,并利用動態(tài)表面控制與徑向基神經網絡技術以增強系統(tǒng)魯棒性。

(3)基于行為法

基于行為法的核心思想是設計編隊控制系統(tǒng)中各智能體的一系列行為,例如避障、編隊保持、編隊變換及任務完成等,通過這些行為之間的協(xié)調來控制各智能體的運動軌跡[36]?；谛袨榉ㄔ诙嗳蝿仗幚矸矫婢哂幸欢ǖ膬?yōu)勢,可擴展性較好,但各行為之間的協(xié)調性較難保證編隊系統(tǒng)的整體行為,此外,基于行為法的編隊控制系統(tǒng)穩(wěn)定性通常難以用數(shù)學方法進行分析。

基于行為法在智能機器人領域中得到了較多的應用,但相比于“領導者-跟隨者”法以及虛擬結構法,基于行為法在水面無人艇編隊控制中的應用還比較少。Arrichiello等[37]設計了一種基于零空間行為法(NSB)的水面無人艇編隊控制器,能夠確保水面無人艇編隊同時執(zhí)行多項任務,例如避障或隊形保持,并在有障礙物和海流存在的仿真環(huán)境中對算法的有效性進行了驗證。Yu等[38]將基于行為法與“領導者-跟隨者”法相結合,采用有限時間擴展狀態(tài)觀測器設計了一種水面無人艇分布式魯棒有限時間輸出反饋編隊控制器,能夠保證狀態(tài)觀測器和編隊跟蹤控制誤差在有限時間內收斂。Fan等[39]基于NSB法,設計了目標到達行為來解決與障礙物的交會問題,并利用避碰行為來處理靜態(tài)障礙物的規(guī)避問題,利用協(xié)同編隊行為來實現(xiàn)水面無人艇的編隊保持。Tan等[40]將NSB法與符合《國際海上避碰規(guī)則》(COLREGs)的行為相結合,提出了一種基于混合行為的水面無人艇集群協(xié)調控制方法,能夠同時解決水面無人艇編隊協(xié)調控制的多方面問題,包括靜態(tài)和動態(tài)障礙物的交會問題、編隊保持問題和防碰撞問題等。Liu等[41]在基于行為法的框架下建立了由三艘水面無人艇組成的編隊控制系統(tǒng),并在真實湖泊環(huán)境下進行了編隊航行測試,驗證了所提出的軟硬件架構系統(tǒng)的有效性。

(4)基于圖論法

在基于圖論法的水面無人艇編隊控制中,領航者水面無人艇的狀態(tài)信息僅對相鄰的水面無人艇可用,能夠有效地降低“領導者-跟隨者”方法中各艇對領航者艇的依賴性[42]?；趫D論方法的分布式特點,在考慮到通信網絡拓撲結構問題時,圖論成為了一種有效且廣泛的編隊控制解決方案。

Dong等[42]借助圖論和Lyapunov 技術研究結果,并利用鄰居水面無人艇之間的相對信息設計了欠驅動水面無人艇編隊協(xié)同控制律,所提出的控制方法能夠使艇群收斂到期望的靜態(tài)隊形且各艇具有相同的運動方向。Li等[43]通過將非線性滑?？刂品椒ㄅc有限時間穩(wěn)定性理論相結合,提出了一種分布式水面無人艇編隊控制器,并基于圖論方法分析了多艇通信網絡的拓撲連通性以及閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,能夠確保控制誤差在有限時間內收斂。Ye等[44]提出了一種分階段的有限時間水面無人艇編隊控制方案,第一階段將每艘欠驅動水面無人艇的位置控制問題視為齊次系統(tǒng)的有限時間穩(wěn)定性問題,第二階段考慮到通信鏈路拓撲結構,基于圖論設計了兩個有限時間協(xié)同控制器來進行編隊保持。Huang等[45]利用了有向圖理論、反步控制法和最小學習參數(shù)法,并通過引入定向通信拓撲設計了無需領導者提供所有信息的水面無人艇自適應協(xié)同編隊控制器。Lu等[46]針對水面無人艇編隊從寬闊水道航行到狹窄水道時的編隊變換問題,提出了一種基于“領導者-跟隨者”法和圖論法的編隊縮放控制策略,所提出的控制方法在穿越狹窄水道過程中只改變編隊構型的大小而不改變編隊的形狀。Zhang等[47]基于圖論法提出了一種適用于網橋事件觸發(fā)通信機制的欠驅動水面無人艇自適應分布式容錯編隊控制方案,該控制方案在有向拓撲下,只有當事件觸發(fā)條件滿足時每個水面無人艇的信息才會廣播到相鄰艇,能夠有效解決海洋實踐中的通信帶寬受限問題。Liu等[48]研究了由多艘水面無人艇和一架無人機組成的異構多智能體系統(tǒng)編隊控制問題,提出了一種基于動態(tài)事件觸發(fā)機制的分布式編隊控制方案,能夠降低控制器的更新頻率,從而有效減少控制器的通信次數(shù)。

進入20世紀初，一些生意人開始使用電話了，事實讓他們感到，電話確實可以以最快的速度得到商機信息；一些貴者富者也認識到，利用電話交談較之你來我往省時省力得多，于是紛紛裝起了電話。

通過以上分析可以看到,“領導者-跟隨者”法與虛擬結構法是當前水面無人艇集群控制領域中應用相對較廣的協(xié)同控制方法,基于這些協(xié)同控制方法,能夠方便地將成熟的控制算法得以利用,基于行為法與基于圖論法在水面無人艇集群控制應用中的推廣仍需一定時間。

2.4 水面無人艇集群編隊控制的通信技術

水面無人艇在進行集群編隊控制時需要進行成員之間的信息交互,并主要采用無線通信方式,典型通信方式包括短波通信與衛(wèi)星通信方式等。短波通信設備結構簡單,但通信速率一般較低且通信距離有限,衛(wèi)星通信設備覆蓋范圍廣、傳輸穩(wěn)定,但對水面無人艇平臺的要求較高,難以在較小的平臺上安裝使用。而水面無人艇集群在編隊航行時具有運動速度快、位置變化頻繁的特點,因此當前相對較弱的水面無人艇集群通信環(huán)境將嚴重影響編隊航行的準確性與有效性。

針對當前水面無人艇集群編隊中的通信技術問題,不少學者提出了一些解決思路。張少澤[49]針對水面無人艇集群編隊通信節(jié)點的大規(guī)模與廣分布需求,設計了一種基于無線自組網與遠程通信技術的低功耗自適應通信方法,實現(xiàn)了水面無人艇集群編隊之間的高效組網。候岳奇等[50]針對水面無人艇集群在有向通信拓撲條件下的編隊控制問題,采用內/外分層編隊控制結構與鄰居狀態(tài)信息實現(xiàn)了在控制器更新周期約束條件下的穩(wěn)定編隊航行控制。張璞[51]針對水面無人艇系統(tǒng)易受環(huán)境與網絡攻擊影響的問題,建立了一種多一致性狀態(tài)與通信拓撲結構的關系,并設計了一種多一致恢復性拓撲重構控制器。葉立俊等[52]以水面無人艇編隊協(xié)同攻防作戰(zhàn)為研究背景,提出了一種基于區(qū)塊鏈的集群協(xié)同通信技術,能夠保證編隊中各艇信息傳輸具備較高的準確性。

從當前水面無人艇集群編隊控制的通信技術研究情況來看,研究者們更多的是在現(xiàn)有通信方式基礎上開展通信相關的軟件與算法的優(yōu)化設計來提升已有的通信性能指標。未來如果能夠開發(fā)出更為高效的新型通信方式,將從根本上提升水面無人艇集群的協(xié)同控制能力。

2.5 水面無人艇異構條件下集群協(xié)同控制技術

同構水面無人艇集群的協(xié)同控制可以通過相對一致性的技術手段來處理無人平臺方面的大多數(shù)共性問題,同時能夠減少控制系統(tǒng)的設計與開發(fā)代價,但水面無人艇單一類型無人平臺的任務能力具有一定的局限性,引入水下無人潛航器、無人機等其他領域的無人平臺能夠極大地拓展集群系統(tǒng)的任務承擔類型與作業(yè)效率。

水面無人艇異構條件下的集群協(xié)同在提升集群任務能力的同時也增加了集群控制的技術難度。相對于同構水面無人艇集群協(xié)同,異構協(xié)同的難度主要體現(xiàn)在行為模式與智能水平等方面,包括異質無人平臺的動力學差異引起的控制與規(guī)劃算法復雜性,組網通信與到達時間的約束性,寬廣作業(yè)區(qū)域的環(huán)境復雜性等問題。當前水面無人艇異構集群協(xié)同控制技術的發(fā)展主要以水面無人艇、無人機為主形成跨域異構集群系統(tǒng)。異構水面無人艇-無人機集群系統(tǒng)能夠有效克服水面無人艇探測范圍小的缺點,利用無人機強大的目標搜索能力和靈活性,可以擴大水面無人艇之間的海上通信范圍,從而增加有效作業(yè)區(qū)域,極大地提高水面無人艇集群的海上作業(yè)能力[53]。

通過以上分析可以看到,異構條件下的協(xié)同控制是水面無人艇集群未來發(fā)展的重要方向,通過與其他無人平臺進行跨域協(xié)同能夠有效彌補水面無人艇平臺約束帶來的技術短板,并能夠進一步拓展水面無人艇集群的應用空間。

3 結論

本文分別從國內外應用情況與技術研究現(xiàn)狀兩個方面對水面無人艇集群編隊控制技術進行了綜述,系統(tǒng)性地總結了該技術領域核心問題的研究進展,旨在為水面無人艇集群編隊控制技術的應用與研究提供一定的支撐。

水面無人艇集群編隊控制技術雖然已經取得了一些研究進展,但隨著日益復雜的海上作業(yè)任務對集群編隊功能需求的不斷提高,目前仍有如下一些亟待解決的問題值得深入研究。

1)水面無人艇集群編隊安全機制問題。海洋環(huán)境通常復雜多變,且不同噸位的水面無人艇個體一般具有不同的加減速與回轉特性,因此,研究考慮實際海況與實艇運動特性的集群艇間防碰撞機制,對于提高編隊航行與變換的安全性具有重要的現(xiàn)實意義。

2)水面無人艇集群編隊容錯控制問題。水面無人艇集群任務的多樣化與系統(tǒng)的復雜化會增加集群編隊中水面無人艇發(fā)生故障的概率,嚴重時會造成集群任務失效。因此,針對水面無人艇集群編隊中艇成員的失能、失聯(lián)等潛在故障性問題,設計不同故障類型條件下的容錯控制機制十分必要,是提高水面無人艇集群生命力的重要手段。

3)水面無人艇集群編隊遠海通信技術問題。隨著水面無人艇集群控制技術研究的深入,遠海執(zhí)行任務成為必然要面對的關鍵問題,但是遠海環(huán)境中的高海況、復雜電磁環(huán)境等因素會使通信系統(tǒng)受到嚴重影響,極大地增加了任務失敗的風險。因此,研究遠海通信受限環(huán)境中的水面無人艇集群編隊控制問題,對于保證任務的實時性、高效性具有深遠意義。

4)水面無人艇集群編隊異構控制問題。隨著無人系統(tǒng)技術的發(fā)展,未來的水面無人艇集群需要面對有人/無人協(xié)同編隊、異構水面無人艇平臺編隊以及與無人潛航器、無人機等跨域無人平臺的協(xié)同編隊等問題。因此,研究水面無人艇集群編隊的異構控制問題,是實現(xiàn)空海潛多域異構協(xié)同的關鍵技術之一。