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作者：王成龙;郑翔;王建华;吴恭兴;钱建华;
单位：上海海事大学航运技术与控制工程交通运输行业重点实验室;上海遨拓深水装备技术开发有限公司;
摘要：【目的】为解决干扰与模型不确定性影响下，欠驱动双无人艇协同拖曳无动力无人艇靠泊回收过程中的轨迹规划与跟踪控制问题，改进控制效率和跟踪精度，提出一种基于虚拟船引导的双无人艇协同拖曳靠泊方法。【方法】首先，通过虚拟船路径跟踪控制规划被拖船的期望轨迹及所需总拖曳力和力矩，并通过扩张状态观测器（ESO）补偿外部干扰和模型误差。其次，利用序列二次规划（SQP）方法求解两艘无人艇对被拖船的拖曳力和力矩的最优分配问题，并根据拖曳模型和几何关系得到两艘无人艇的平滑可行期望轨迹。最后，基于反步法和滑模控制，设计一种针对欠驱动拖曳无人艇的反步滑模轨迹跟踪控制器。针对位置和航向角子系统，利用反步法求解虚拟期望线速度和角速度，实现位姿跟踪；针对速度子系统，通过滑模控制器完成速度跟踪，从而实现两艘无人艇跟踪各自期望轨迹，拖曳被拖船完成靠泊。通过李雅普诺夫函数证明所设计的控制器能够在一定有界干扰条件下保证系统的全局渐近稳定。【结果与结论】仿真结果表明，在一定的干扰与模型不确定性下，通过双无人艇对规划轨迹的跟踪控制，被拖船以平均0.05 m和0.08°的位姿误差渐近收敛到期望泊位。相较于纵向反步控制与转向滑模控制方法，所提方法在控制效率上最高提升50%，平均距离误差降低44%，平均角度跟踪误差降低33%。双无人艇协同拖曳靠泊方法具有良好的有效性和鲁棒性，为无人艇拖曳控制研究提供了新的理论参考。
关键词：欠驱动水面无人艇;;辅助靠泊;;协同拖曳;;反步滑模控制;;轨迹跟踪
基金资助：国家自然科学基金（52271322）
