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领航跟随法和势函数组合的船舶编队控制

李芸;肖英杰

【摘要】多船舶作业在海上越来越盛行，最常见的运行方式就是船舶编队协控，

本文考虑领航跟随法过于集中控制的不足，将船舶编队分为领航–跟随控制阶段和

跟随–跟随控制两个阶段。在第1个阶段使用多输入滑模控制以及船舶响应模型进

行控制律分配；第2阶段引入势函数方法，结合图形拓扑来约束跟随船舶间的间

距，提高队形的稳固性，弥补单一领航跟随法的不足，并通过Lyapunov函数验

证系统控制的稳定性。后期通过直线和曲线路径的仿真验证，得到编队船舶的各状

态历时趋势，船舶间状态最终达到一致性，实现队形保持的目标，得出良好效果，

验证了算法的有效性。%Asmulti-vesseloperationprevailsincreasinglyat

sea,themostcommonmodeisshipformationcontrol.Consideringthe

over-centralizedcontrolofleader-followermethod,themulti-vessel

formationisdividedintotheleader-followercontrolstageandfollower-

followercontrolstageinthispaper.Atthefirststage,thecontrollaw

utilizingslidingmodecontrolandshipresponsemodelisapplied.The

potentialfunctionmethodwhichcombineswiththegraphtopologyis

introducedtoconstrainthebalancedistanceforfollowerinthesecond

stage.Thesemethodscanimprovestabilityoftheformation,tomakeup

forthesingleleader-followermethod.Thestabilityofcontrolsystemis

verifiedbytheLyapunovfunction.Finallygettingthestatediachronic

trendofshipformationbythesimulationofstraightandcurvepath

verification,theshipstateachievesconsistency,reachingthegoalof

maintainingtheformation,whichobtainsgoodresultsandteststhe

effectivenessofalgorithm.

【期刊名称】《控制理论与应用》

【年(卷),期】2016(033)009

【总页数】6页(P1259-1264)

【关键词】船舶编队;领航跟随;势函数;图形拓扑

【作者】李芸;肖英杰

【作者单位】上海海事大学商船学院，上海201306;航运仿真技术教育部工程研

究中心，上海201306

【正文语种】中文

【中图分类】TP273

近年来，除了对单艘船舶的航向控制、轨迹跟踪之外，船群控制也得到越来越多的

重视，如拖带系统稳定性控制、船舶补给控制以及船舶编队控制，对于多船之间的

协作航行策略已成为当今研究的热点.船舶编队主要是指控制多艘船舶按照一定的

队形，执行某项任务，已被广泛地应用于海上勘测、海上搜救、海底作业等多个方

面.

目前，常见的编队控制方法有领航跟随法、基于行为法、虚拟结构法和图论法等，

它们都是通过群体中个体间的信息沟通，建立控制策略，再对个体实现逐一控制来

达到预期目标.针对船舶群体的编队控制，主要有船队队形保持、船队避障以及自

适应3个研究方向，刘杨等［1］基于领航跟随法设计非线性速度和路径跟踪控制

器，使得船队之间可以跟踪任意期望队形；付明玉等［2］使用虚拟领航者，结合

无源性相关理论，构建路径跟踪控制器，进行船队队形保持；夏盈盈等［3］设计

圆形队形轨迹，利用反馈控制设计控制策略，进行轨迹控制；Chao等［4］结合

图论拓扑理论，进行编队控制律设计，利用Lyapunov函数验证稳定性能，保