21世纪是海洋的世纪，海洋蕴藏着丰富的生物资源、油气资源和矿物资源，是人类生存和可持续发展的战略空间和资源要地。

以下文章来源于《中国舰船研究》（2021年第1期）溪流之海洋人生，作者彭周华 吴文涛 王丹 刘陆

世界各国高度重视自由进入海洋空间、维护海洋空间权益、增强海洋空间控制等技术，尤其是大力发展无人航行器，包括无人艇(USV)和自主式水下机器人(AUV)，可用于海洋资源的开发和海洋权益的争夺。

图片来自中国国防报

无人艇作为一种以遥控或自主方式航行的小型化、智能化、多用途无人海洋运载平台，是现代多种高技术集成的产物，是一个国家海洋科技实力的重要体现。

无人艇具有全天候执行任务的能力，尤其是可以在恶劣的海洋环境中代替人类执行危险、耗时且费力的作业任务，在军事和民事领域都具有广泛的应用前景。

近年来，美、英、以、法、日等海洋强国都大力推进无人艇研制工作，在单无人艇方面取得了丰硕的研究成果。

然而，由于海洋环境日益复杂、作业任务日益多样、单艇作业能力极其受限，无人艇集群化作业成为未来海洋作业的重要发展趋势之一，也是网络化、信息化、智能化发展的必然要求。

多无人艇协同作业不仅可以显著地减轻操作人员的负担，而且使得海洋作业变得更加持续、更具规模和更加智能，完成单一无人艇不能高效完成或无法完成的复杂任务。

在军事领域，无人艇集群具有重要的应用价值，能够完成协同态势感知、编队护航、“蜂群”跟踪、集群对抗等多种作战任务。

在民用领域，无人艇集群能够极大地延伸海洋作业范围，相关应用包括海洋环境监测、海洋移动传感网监测、协同资源探测、协同灾难搜救等。

无人艇集群控制研究涉及舰船科学、制导与控制、人工智能、通信科学、计算机科学、仿生学等众多学科和技术领域，综合多学科理论和技术对无人艇集群协同控制问题进行研究，为无人艇海洋作业提供新理论、新方法和新技术，既体现智能船舶的发展趋势，又满足国家海洋战略的发展需求，具有重要的科学意义和应用价值。

目前，国内外在无人艇集群研究方面已经取得了显著的研究进展。在国外，美国海军于2014年在弗吉尼亚州詹姆斯河开展了无人艇“蜂群”作战演示，13艘无人艇以集群模式对可疑船只进行拦截和包围，完成了半自主协同护航任务。

2016年，美国海军再次开展无人艇集群试验，实现了4艘无人艇的自主监测、识别、跟踪和巡逻等任务。

同年，英国海军在苏格兰西海岸开展“无人战士”大规模无人系统部署计划演习，完成了空中、水面和水下三维立体协同作战测试，实现了区域探测和情报搜集等任务。在国内，云洲智能公司实现了81艘海上无人艇协同表演。

哈尔滨工程大学研制了“XL”号和“海豚”系列等无人艇样机，在海上完成了7艘无人艇的协同编队试验。华中科技大学研发了HUSTER全自主无人艇，完成了5艘无人艇的十字和环形编队队形湖上试验。

大连海事大学研制了一套多无人艇集群协同控制系统，开展了协同路径跟踪、协同目标跟踪、协同目标包围等协同控制试验，实现了7艘无人艇的“一字”、“人字”、“环形”等多种动态编队队形。

2019年，上海大学《复杂海况无人艇集群控制理论与应用》项目获得基金委人工智能重大研究专项资助，将无人艇集群控制研究推向了新的高度。

由此可见，国内外对无人艇集群控制技术的研究方兴未艾，迫切需要进一步开展前瞻性理论和技术探索。

本文将首先从无人艇运动数学模型出发，分析多无人艇集群协同控制所面临的挑战。接着，根据多无人艇的典型运动控制场景，综述多无人艇集群协同控制的研究成果，包括基于轨迹导引的协同控制(TRCC)、基于路径导引的协同控制(PACC)、基于目标导引的协同控制(TACC)。

最后，对多无人艇集群协同控制的未来趋势和研究方向进行总结与展望。

一、问题描述

1、无人艇运动数学模型

船舶涉及纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇6个自由度的运动。对于无人艇而言，通常忽略垂荡、横摇和纵摇3个自由度上的运动。如图1所示，一般在2个坐标系下对无人艇的运动进行描述，即XE-YE地球坐标系和XB-YB船体坐标系。图中，ψi为艏摇角；νi=[ui，vi，ri]T为第i艘无人艇的线速度和角速度向量，单位为[m/s，m/s，rad/s]T，ui其中和vi分别为XB-YB坐标系下的纵荡速度和横荡速度，ri为艏摇角速度；βi为侧滑角。

图1 地球坐标系和艇体坐标系

考虑N艘无人艇组成的集群系统，第i艘无人艇的运动学和动力学方程可由三自由度非线性模型描述：

式中：ηi=[xi，yi，ψi]T为第艘无人艇的位置和艏角向量，单位为[m，m，rad]T，其中(xi，yi）为XE-YE标系下的位置，τi=[τiu，τiv，τir]T为控制输入力力矩向量，单位为[N，N，N•m]T；τiw=[τiwu，τiwv，τiwr]T为由风浪流海洋环境引起的扰动向量，单位为[N，N，N•m]T；gi(νi)包括未建模流体动态和建模误差，单位为[N，N，N•m]T；Mi为惯性质量矩阵，MTi=Mi，单位为[kg，kg，kg•m2]T；Ci(νi)为向心力和科氏力系数矩阵，CTi(νi)=−Ci(νi)；Di(νi)为阻尼矩阵；Mi，Ci(νi)，Di(νi)和R(ψi)可表示为：