Sterowanie formacją i śledzeniem wielu USV za pomocą ADRC z ustaloną wydajnością

Inteligentne zespoły łodzi na wzburzonym morzu

Wyobraź sobie załogę małych zrobotyzowanych łodzi patrolujących port, poszukujących zagubionego statku lub mapujących plamę ropy. Muszą poruszać się razem w zwartej formacji, utrzymywać bezpieczne odległości między sobą i trzymać kurs mimo fal, wiatru i prądów, które nieustannie je wypychają z trasy. W artykule przedstawiono nowy sposób sterowania takimi zespołami bezzałogowych pojazdów nawodnych (USV), dzięki któremu mogą poruszać się w formacji precyzyjnie i bezpiecznie, nawet gdy woda jest wzburzona, a ich zachowanie nie jest w pełni znane.

Dlaczego skoordynowane łodzie-roboty mają znaczenie

USV są coraz częściej wykorzystywane do zadań niebezpiecznych, monotonne lub kosztownych dla załogowych jednostek: ratownictwa morskiego, poszukiwań złóż mineralnych czy ochrony wybrzeża. Często jedna łódź nie wystarcza; grupa współpracujących jednostek może pokryć większy obszar, podzielić zadania i zapewnić redundancję w razie awarii jednej jednostki. Jednak koordynacja kilku łodzi jest trudna. Każdy pojazd musi podążać za zaplanowaną trajektorią, zachowując bezpieczne odległości od sąsiadów, i wszystko to musi działać w rzeczywistych warunkach morskich, gdzie niewidoczne siły i subtelne błędy modelowania mogą pogorszyć wydajność, a nawet spowodować kolizje.

Wyzwanie polegające na utrzymaniu formacji

Tradycyjne metody sterowania — takie jak proste regulatory proporcjonalno-całkująco-różniczkujące (PID), schematy predykcyjne oparte na modelu czy backstepping z użyciem sieci neuronowych — były wcześniej stosowane do formowania USV. Choć mogą działać, mają swoje kompromisy. Podstawowe regulatory są łatwe do strojenia, ale radzą sobie słabo z dużymi, zmiennymi w czasie zakłóceniami. Bardziej zaawansowane podejścia mogą obsługiwać nieliniowy ruch i nieznane efekty, ale często wymagają wielu parametrów, dużej mocy obliczeniowej lub szczegółowych danych treningowych. Ponadto większość metod nie gwarantuje bezpośrednio, jak szybko błędy będą się zmniejszać ani jak ściśle utrzymają się w granicach bezpieczeństwa podczas manewrów.

Strategia sterowania, która przeciwstawia się zakłóceniom

Autorzy opierają się na koncepcji znanej jako aktywne odrzucanie zakłóceń (ADRC), która traktuje wszystko nieznane lub niepożądane — takie jak zmiany oporu, siły fal czy błędy modelowania — jako jedną „całkowitą zakłócęnię”, którą należy w czasie rzeczywistym oszacować i skompensować. Projektują rozszerzony obserwator, który szacuje to zakłócenie, wykorzystując jednocześnie wiedzę o modelu USV, aby odciążyć obserwator i poprawić dokładność. Inny element, zwany różnicownikiem śledzenia, zastępuje wielokrotne obliczenia pochodnych w regulatorze, unikając wzrostu złożoności, który w przeciwnym razie utrudniłby pracę w czasie rzeczywistym. Mechanizm oparty na barierach kształtuje następnie ewolucję błędów śledzenia w czasie, narzucając ograniczenia zmienne w czasie, które zapobiegają zbyt bliskiemu zbliżaniu się łodzi lub nadmiernemu rozproszeniu, jednocześnie pozwalając na szybkie zbieganie do pożądanej trajektorii.

Testy konwoju łodzi

Aby sprawdzić skuteczność podejścia, badacze zasymulowali cztery identyczne USV podążające trasą złożoną z odcinków prostych i szerokich okręgów, działając w silnych, stale zmieniających się siłach niewidocznych dla regulatora. Porównali swoją metodę z trzema powszechnymi alternatywami: backsteppingiem wspomaganym siecią neuronową, standardowym regulatorem odrzucającym zakłócenia oraz regulatorem PID. W metrykach mierzących całkowity błąd, błąd maksymalny oraz płynność poleceń steru i napędu nowa metoda wyróżnia się. Redukuje błąd skumulowany i błąd średniokwadratowy o ponad połowę w porównaniu z PID, a jednocześnie znacząco przewyższa bardziej złożony schemat backsteppingowy, generując przy tym gładsze, mniej drgające sygnały sterujące przyjaźniejsze dla rzeczywistego sprzętu.

Co to oznacza dla przyszłości robotów morskich

Mówiąc prosto, praca ta pokazuje, jak zespół zrobotyzowanych łodzi może utrzymać zwartą i bezpieczną formację na niespokojnym, nieprzewidywalnym morzu, używając regulatora, który jest zarówno odporny, jak i stosunkowo prosty do strojeniu. Poprzez aktywne szacowanie i kompensację skumulowanego wpływu fal, prądów i błędów modelowania oraz otaczanie ewolucji błędów starannie zaprojektowanymi ograniczeniami, metoda utrzymuje każdą jednostkę blisko zamierzonej trajektorii bez ryzyka kolizji czy utraty łączności. Autorzy zauważają, że rozszerzenie ram do bardziej ograniczonych, podsterowanych łodzi oraz automatyzacja strojenia parametrów to istotne kolejne kroki, ale wyniki już teraz wskazują na bardziej niezawodne i wydajne flotyle robotów morskich wykonujących złożone misje przy minimalnym nadzorze człowieka.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: bezzałogowe pojazdy nawodne, sterowanie formacją, odrzucanie zakłóceń, robotyka morska, śledzenie trajektorii