2、基于路径导引的协同控制

在基于路径导引的集群控制方面，控制目标是多艘无人艇跟踪一条或多条预设的参数化路径η(θ)，同时保持期望的编队队形。与轨迹导引方式相比，除了控制器设计外，基于路径导引的集群控制需要进行参数化路径更新律的设计，因此提供了额外的控制自由度。对于群体而言，其空间要求和时间要求是解耦的，可以分别独立进行控制，如独立控制无人艇集群的航行速度。图4所示，根据参数化路径个数的不同，现有研究结果可分为全路径导引的协同路径跟踪、单路径导引的分布式路径跟踪和多路径导引的分布式路径跟踪。对于全路径导引的协同路径跟踪，每艘船舶跟踪一条参数化路径，集群行为通过参数化路径变量的协同实现。在单路径导引的分布式路径跟踪方面，集群中只存在一条参数化路径，多无人艇通过局部信息交换实现对参数化路径的协同跟踪。与基于多轨迹导引的包含控制类似，多路径导引的分布式路径跟踪跟随的是参数化路径上虚拟领航者生成的凸集空间。 

图4 基于路径导引的集群控制

在全路径导引方面，Skjetne等将协同路径跟踪分解为几何任务和动态任务，设计船舶协同路径跟踪控制器，其路径参数更新需要所有船舶的参数信息。Do提出了另一种路径参数更新律，每艘跟随船需访问领航者路径信息。Ihle等采用无源性理论设计了分布式同步路径参数更新律，路径参数通过离散采样更新，去除了有关文献要求全局通信的假设条件。随后，研究人员分析了不同网络环境下协同路径跟踪控制器的稳定性，包括通信丢包与通信时延，时变通信时延，离散周期通信，事件触发通信，时变状态相关网络攻击等。Do等假设船舶模型是精确已知的，因此不能保证参数不确定和海洋环境扰动下的稳定性。为了改进模型不确定和海流影响下的稳定性，Almeida等采用反步法设计了自适应协同路径跟踪器。为了解决海洋环境下的非结构不确定性和风浪流海洋环境扰动，Wang等提出了基于神经网络的状态反馈和输出反馈协同路径跟踪控制器。另外，Gu等提出了基于扩张状态观测器的抗干扰协同路径跟踪控制方法，试验验证了该方法的有效性。值得指出的是，Almeida等需要为每艘无人艇单独规划路径，只能实现多路径上的并排编队队形。Liu等提出一种基于路径参数包含的协同路径跟踪方法，实现了单一路径上的队列编队队形。Liu等将该结果进一步拓展到动力学层次，采用模块化方法设计了协同路径跟踪控制器。Liu等局限于开曲线路径上的协同编队，不能实现闭曲线的协同路径跟踪。Liu等提出了参数环形跟踪的协同路径跟踪控制方法，实现了闭曲线上的对称编队队形。随后，在参考速度非全局已知的情形下，提出了参数循环跟踪的协同路径跟踪控制器，试验验证了所提方法的有效性。有关文献中，每艘无人艇都需获得路径信息，属于集中式控制。

在单路径导引的分布式路径跟踪方面，Peng等提出了基于神经动态优化和模糊逼近的分布式协同路径跟踪控制器，实现了单参数化路径导引的多无人艇分布式编队控制，在状态约束条件下优化了集群控制性能。Peng等采用三阶扩张状态观测器估计线速度和艏摇角速度，提出了带避障避碰和连通保持功能的分布式输出反馈路径跟踪控制器，这些控制方法均局限于全驱动无人艇。针对通信距离受限下欠驱动多无人艇集群系统，Peng等设计了分布式时变队形控制器，所提控制器兼具避障、避碰与连通保持功能。

在多路径导引的分布式路径跟踪方面，Peng等采用模块化方法设计了分布式协同路径跟踪控制器，使得多无人艇收敛到多领导者所形成的凸包内。Peng等将其文献的结果扩展到输出反馈情形，提出了基于神经动力学观测器的分布式协同路径跟踪控制器，该研究结果局限于全驱动船舶。Gu等提出了多参数化路径导引的欠驱动多无人艇分布式包含操纵方法。随后，在分布式路径跟踪控制器设计中引入避碰和连通保持机制，采用有限时间收敛扩张状态观测器，提出了基于位置和艏摇角信息反馈的分布式协同路径跟踪控制器，实现了包含编队误差的有限时间收敛。

在路径参数协同方面，典型的方法包括连续路径参数更新、数据采样更新、离散周期更新等。在运动学层次，Peng等提出的分布式路径跟踪制导率均采用连续控制方式，从网络控制的角度出发，如何进一步减轻分布式协同制导的通信负担是值得研究的课题。

3、基于目标导引的协同控制

基于目标导引的集群控制即无人艇跟踪单个或多个动态目标，同时保持期望的编队队形。与轨迹导引和路径导引不同，由于无人艇感知或通信能力的限制，跟随船只能获取目标船的瞬时信息，无法获得目标船的未来位置、速度和加速度等信息。如图5所示，根据目标个数不同，现有结果可分为单目标导引的单无人艇目标跟踪、单目标导引的多无人艇协同跟踪和多目标导引的多无人艇包含跟踪。在单目标导引的单无人艇目标跟踪中，控制目标是跟随船与领航船保持相对距离或相对角。在单目标导引的多无人艇协同跟踪方面，集群中只存在1艘目标船，多无人艇通过局部信息交换实现对该目标船的协同跟踪。在多目标导引方面，多无人艇通过局部信息交换实现对多目标船的协同包含。