第1章绪论
1.1无人艇集群协同包围控制研究背景
海洋是人类生存与可持续发展的战略空间，也是国际竞争与合作的重要舞台。近年来，各国维护海洋权益、拓展海洋空间的竞争愈演愈烈，围绕海洋资源、岛礁主权、海域划界、航道安全的争端日益凸显。我国是海洋大国，拥有广泛的海洋战略资源和战略利益，维护国家海权关系到民族生存发展和国家安危。为了保障海上领土安全，实现海洋强国发展战略，迫切需要提升国家海洋科技实力[1-4]。
无人水面艇（unmanned surface vehicle，USV，简称无人艇）是一种可远程控制或自主航行的智能海洋运载平台，具有机动性能好、适应能力强、自动化程度高、制造成本低等优点，其研发水平是一个国家海洋科技实力的重要体现[5-8]。通过配备所需的控制系统、传感系统、通信系统以及武器系统，无人艇可用于商业、科研、军事等领域。在维护海洋安全方面，将无人艇作为海上**道防线，替代有人船只执行侦察搜索、探测排雷、反潜作战等作战任务，不仅能够在高危险任务中有效保护人身安全，而且能够大幅降低人员费用支出和改善作业效率[9-12]。目前世界多国竞相开展了无人艇装备的研制与开发，国内外典型无人艇如图1.1所示。
随着海洋作业任务复杂性和多样性的日益增加，单艘无人艇受能力限制可能无法满足任务需求，多无人艇协同作业是未来重要发展趋势[19]。相比于单艇作业，联合多艘无人艇构成集群系统，通过个体间相互通信协同完成目标任务，能够表现出更强的鲁棒性、机动性、智能性，更高的作业效率和更大的作业规模[20]。多无人艇协同技术在军事领域中应用前景广泛，可用于编队护航、集群作战、态势感知、协同巡逻等任务，如图1.2所示。
在无人艇集群海上作战方面，2014年，美国海军开展了无人艇“蜂群”试验，采用五艘自主无人艇和八艘遥控无人艇进行了编队护航、巡逻侦察、集群攻击等演习任务，成功阻止了潜在敌方船只迫近己方保护目标。在2021年“无人系统综合作战问题-21”演习中，美国海军“海上猎人号”和“海鹰号”无人艇进行了持续8天的海上作战课目训练，在无补给和无外在动力条件下，两艘无人艇连续航行150小时，完成出港集结、阵位连续变换和自动泊港等课目演练。在2022年“环太平洋”多国联合演习期间，美国海军出动“海上猎人号”“海鹰号”“游牧者号”“游骑兵号”四艘无人艇，验证了其在侦察、反潜、扫雷、电子战、护航等领域执行相关任务的能力。美军无人艇演习如图1.3所示。
2016年，英国海军组织了“无人勇士”大规模无人装备演习，进行了无人艇、无人战机、无人潜航器等50部无人装备的大规模协同测试，完成了反水雷战，反潜战，情报、监视和侦察等任务，实现了无人艇与其他无人作战平台的协同作战。2022年，美英两国海军进行了“幻影瞄准镜”双边演习，出动了三艘“无人航海探索者号”无人艇用于侦察探测，利用无人系统和人工智能技术提升了有人舰船与岸上操作人员的海上监控能力。英国海军无人装备演习如图1.4所示。
除了海上侦察和编队护航任务外，无人艇集群还在军事打击任务中发挥了重要作用。2023年，土耳其国防部使用八艘“信天翁-S”无人快艇对一艘长22m的船只进行了自杀式攻击演练，通过集群内传感器数据共享进行自主航向校正和自主避碰，成功击沉了目标船只。在俄乌冲突中，乌克兰方面多次出动无人艇，对相关设施和目标进行打击，包括在2022年10月采用七艘无人艇和九架无人机突袭塞瓦斯托波尔港；在2023年7月采用两艘无人艇损毁了克里米亚大桥[29]。土耳其和乌克兰无人艇军事装备如图1.5所示。
近年来，我国也高度重视无人艇集群协同技术的研究。2018年，华中科技大学研发的HUSTER-68型无人艇和HUSTER-12s型无人艇编队，在东莞市松山湖进行*航演示，通过轨迹规划和组网协同等功能实现了编队巡逻、近海侦察、目标围捕等行为。2021年，哈尔滨工程大学进行了多协同任务模式、弹性可重构无人艇集群协同技术演示，实现了分布式协同架构、全自主化协同水平、未知非结构化应用任务场景下的海洋航行器集群控制。国内无人艇集群协同控制代表性研究进展如图1.6所示。
为了应对未来的无人化和智能化海上作战趋势，我国也积极开展了无人艇集群对抗技术的战略布局。2018年，珠海云洲智能科技股份有限公司研发的安防警戒无人艇参与了全球*次无人艇反走私演练，通过与执法人员配合作业，实现了对目标的快速追捕、协同拦截、救援打捞。2021年，第十三届中国国际航空航天博览会上珠海云洲智能科技股份有限公司展示了高速无人艇动态协同博弈技术，实现了六艘无人艇对海面不明机动目标的联动预警、协同感知、高速追踪、侦察取证、博弈拦截、围堵驱离，如图1.7所示。
综上所述，无人艇集群协同技术对于维护国家海洋权益、保障国家海洋安全至关重要，其应用范围已经从侦察探测逐步扩展到攻防对抗。在各类对抗场景中，目标包围是一个典型的控制问题[36，37]。其任务目的是驱使单艘或多艘无人艇围绕固定或运动的对象航行，并保持期望的包围距离和包围队形。包围运动能够探测和采集对象的全方位信息，在巡逻侦察、围捕驱逐、海上救援等海事任务中能够发挥关键作用，如图1.8所示。无人艇的目标包围（运动）控制问题涉及技术领域广泛，包括船舶与海洋工程、控制科学与工程、通信工程、人工智能等学科，然而目前其核心理论和技术的发展还有所欠缺。因此，开展相关理论和实践研究，对于推动我国海洋科技发展和国防建设具有积极意义。
1.2无人艇集群协同包围控制研究现状
无人艇的协同运动控制技术是开展集群海上作业任务，实现无人化协同作战的基础。近二十年来，国内外专家学者针对各类运动场景下的协同控制技术开展了深入的研究，并取得了丰富的成果[38-72]。按照协同控制器结构划分，现有的协同控制方法可以分为集中式控制、分散式控制、分布式控制[38]。其中，分布式结构下个体通过局部感知和通信进行控制行为，在控制过程中不依赖全局通信，相比于集中式控制降低了对通信能力的要求，适合应用于通信受限下的海洋环境中。根据协同策略类型不同，多无人艇协同控制方法包括领导-跟随法[39-46]、基于行为法[47]、虚拟结构法[48]、人工势能法[49，50]、基于图论法[51-53]等。其中，基于图论法利用图描述无人艇之间的通信关系，并基于通信图设计协同控制器，应用非常广泛。根据运动场景的不同，多无人艇协同控制包括协同轨迹跟踪控制[49，50，54-59]、协同路径跟踪控制[52，60-64]、协同目标跟踪控制[42，43，65-68]、协同目标包围控制[69-72]等，如图1.9所示。其中在协同目标包围控制中，无人艇集群以期望距离和队形围绕特定对象或区域航行。
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