Formations- und Bahnnachführungsregelung mehrerer USVs mit ADRC und vorgeschriebener Performance

Schlaue Bootsverbände auf rauer See

Stellen Sie sich eine Gruppe kleiner Roboterboote vor, die einen Hafen patrouillieren, ein verlorenes Schiff suchen oder ein Ölleck kartieren. Sie müssen sich in einem engen Muster bewegen, sichere Abstände zueinander einhalten und trotz Wellen, Wind und Strömungen auf Kurs bleiben, die sie ständig abdrängen. Diese Arbeit stellt eine neue Methode zur Regelung solcher Gruppen unbemannter Wasserfahrzeuge (USVs) vor, damit sie Formation genau und sicher halten können — selbst bei rauer See und unvollständig bekannten Eigendynamiken.

Warum koordinierte Roboterboote wichtig sind

USVs werden zunehmend für Aufgaben eingesetzt, die für bemannte Schiffe gefährlich, mühsam oder teuer sind: Seenotrettung, Rohstofferkundung und Küstensicherheit gehören dazu. Häufig reicht ein einzelnes Boot nicht aus; ein Team kann mehr Fläche abdecken, Aufgaben teilen und Redundanz liefern, falls ein Einheitsausfall eintritt. Die Koordination mehrerer Fahrzeuge ist jedoch anspruchsvoll. Jedes Fahrzeug muss einer geplanten Bahn folgen und gleichzeitig sichere Abstände zu den Nachbarn wahren — und das unter realen Ozeanbedingungen, in denen unsichtbare Kräfte und Modellfehler die Leistung verschlechtern oder gar Kollisionen verursachen können.

Die Herausforderung, zusammenzubleiben

Traditionelle Regelverfahren — etwa einfache PID-Regler, modellbasierte prädiktive Regler oder neural-netzwerkgestütztes Backstepping — wurden bereits auf USV-Formationen angewandt. Zwar funktionieren sie in vielen Fällen, doch sie haben Kompromisse. Einfache Regler sind leicht einstellbar, tun sich aber mit großen, zeitvarianten Störungen schwer. Anspruchsvollere Ansätze können nichtlineare Bewegungen und unbekannte Effekte behandeln, verlangen dafür jedoch oft viele Parameter, hohe Rechenleistung oder umfangreiche Trainingsdaten. Außerdem garantieren die meisten Methoden nicht direkt, wie schnell Fehler schrumpfen oder wie eng Sicherheitsgrenzen während Manövern eingehalten werden.

Eine Regelstrategie, die Störungen aktiv begegnet

Die Autoren bauen auf dem Konzept der Active Disturbance Rejection Control (ADRC) auf, das alles Unbekannte oder Unerwünschte — etwa veränderten Widerstand, Welleneinwirkungen oder Modellfehler — als eine einzige „gesamte Störung“ behandelt, die in Echtzeit abgeschätzt und kompensiert wird. Sie entwerfen einen erweiterten Beobachter, der diese Störung schätzt, dabei aber Modellkenntnis des USV nutzt, um die Schätzaufgabe zu erleichtern und die Genauigkeit zu verbessern. Eine weitere Komponente, der Tracking-Differentiator, ersetzt wiederholte, störungsanfällige Ableitungsoperationen im Regler und vermeidet so eine Komplexitäts-Explosion, die den Echtzeiteinsatz erschweren würde. Ein barrieres-basiertes Mechanismus formt dann die Entwicklung der Nachführfehler über die Zeit und erzwingt zeitvariierende Grenzen, die verhindern, dass Boote sich zu nahe kommen oder zu weit auseinanderdriften, während dennoch ein zügiges Konvergieren zur gewünschten Bahn möglich bleibt.

Der Bootskonvoi im Test

Um die Wirksamkeit zu prüfen, simulieren die Forschenden vier identische USVs, die einer Bahn aus Geraden und weiten Kreisbahnen folgen, während starke, ständig veränderliche Kräfte wirken, die dem Regler verborgen bleiben. Sie vergleichen ihre Methode mit drei gebräuchlichen Alternativen: einem neural-netzwerk-unterstützten Backstepping-Regler, einem Standard-Störungsunterdrückungsregler und einem PID-Regler. Über mehrere Kenngrößen — kumulierter Fehler, Worst-Case-Fehler und Glätte der Lenk- und Schubbefehle — hebt sich die neue Methode hervor. Sie reduziert kumulative Abweichungen und den quadratischen Mittelwertfehler gegenüber PID um mehr als die Hälfte und übertrifft zudem deutlich das aufwändigere Backstepping-Verfahren, wobei sie gleichzeitig glattere, weniger ruckartige Steuerbefehle erzeugt, die schonender für reale Hardware sind.

Was das für künftige Meeresroboter bedeutet

Einfach gesagt zeigt diese Arbeit, wie ein Team von Robotikbooten seine Formation eng und sicher in einer unübersichtlichen, unvorhersehbaren See halten kann — mithilfe eines Reglers, der robust ist und vergleichsweise einfach einzustellen. Indem er die kombinierten Effekte von Wellen, Strömungen und Modellfehlern aktiv schätzt und kompensiert und die Fehlerentwicklung innerhalb sorgfältig gestalteter Grenzen hält, bewahrt die Methode jedes Fahrzeug nahe seiner Sollbahn, ohne Kollisionen oder Verbindungsverluste zu riskieren. Die Autoren erwähnen, dass die Erweiterung des Rahmens auf stärker eingeschränkte, unteraktuerte Boote sowie die Automatisierung der Parametereinstellung wichtige nächste Schritte sind, doch die Ergebnisse deuten bereits auf zuverlässigere, effizientere Flotten von Meeresrobotern hin, die komplexe Einsätze mit minimaler menschlicher Aufsicht bewältigen können.

Zitation: Huo, M., Mao, W. & Wang, X. Formation tracking control of multiple USVs using ADRC with prescribed performance. Sci Rep 16, 11417 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37252-0

Schlüsselwörter: unbemannte Wasserfahrzeuge, Formationsregelung, Störungsunterdrückung, Meeresrobotik, Bahnnachführung