无人水面艇作为探索和开发海洋领域的一种重要工具,受到了海洋工程及机器人控制领域学者的广泛关注。多无人艇编队控制系统的设计问题极具挑战性,涉及多个学科知识的交叉,比如现代控制、电子通信、机器视觉和计算机等学科领域。本文基于反步(backstepping)设计方法和李雅普诺夫稳定性理论,研究基于领航-跟随者结构的无人水面艇预设性能编队控制问题。预设性能控制(prescribed performance control,PPC)方法可以保证系统的输出跟踪误差响应在预先设定的暂态性能和稳态性能约束范围内。本文采用tan型障碍李雅普诺夫函数,保证系统误差始终在预设的边界函数范围内,从而可以通过调节预设的边界函数保证系统输出跟踪误差的暂态性能(超调量、收敛速度等)和稳态性能。系统的暂态及稳态性能对一个控制系统来说至关重要,因此研究无人水面艇编队系统的预设性能控制具有重要的实际价值和理论意义。论文的主要研究内容如下:第二章研究具有通讯范围约束的无人水面艇领航-跟随者编队控制问题。在编队控制系统中每个无人水面艇需要通过无线传感器获取其领航者的状态信息(具体包括位置、速度、加速度等),然而实际的无线传感器的通讯范围往往是有限的。因此,为了保证无人水面艇能够获取其领航者的状态信息,需要要求无人水面艇与其领航者维持在一定的通讯范围。与此同时,无人水面艇还需避免与其领航者发生碰撞。因此,无人水面艇与其领航者之间需要满足通讯范围约束和碰撞避免约束。通过采用tan型障碍李雅普诺夫函数,保证编队距离误差和航向角误差响应始终处于预先所设计的边界性能函数约束范围内变化。采用扰动观测器对无人水面艇受到的外部时变扰动进行在线估计和补偿,并基于扰动观测器设计编队跟踪控制器使得系统的跟踪误差满足预先设定的稳态和暂态性能,并保证无人水面艇编队始终满足通讯范围约束和碰撞避免约束。通过数值仿真验证所设计的编队控制器的有效性。第三章研究基于输出反馈的无人水面艇领航-跟随者编队控制问题。在输出反馈编队控制系统设计中,考虑每个无人水面艇通过无线传感器与其领航者相互通讯,且其通讯的信息仅为输出状态信息(全局位置坐标和航向角)。考虑到无线传感器通讯范围的有限性,为了保证无人水面艇能够与其领航者相互通讯,要求无人水面艇与其领航者始终保持在它们的通讯范围内,同时应避免无人水面艇与其领航者发生碰撞。因此无人水面艇与其领航者需要满足通讯范围约束和碰撞避免约束。基于tan型障碍李雅普诺夫函数,设计编队跟踪控制器使得编队距离误差响应始终在所预先设计的边界性能函数约束范围内变化。考虑到无人水面艇无法利用速度和加速度等信息,采用基于自适应神经网络方法设计状态观测器估计无人水面艇速度,并利用动态面技术避免对虚拟控制器进行求导,从而解决虚拟控制器的导数包含领航者的速度和加速度等未知项的问题。所设计的编队控制器确保了跟踪误差满足预先设定的稳态性能和暂态性能。通过数值仿真验证了所设计编队控制器的有效性。第四章研究基于相对信息的欠驱动无人水面艇领航-跟随者编队控制问题。考虑到实际的无人水面艇可以通过车载视觉传感器测量与其领航者之间的相对距离和相对角度,而不需要获取其领航者在大地坐标下的状态信息(如大地坐标下的位置、姿态和速度信息),从而避免无人水面艇与其领航者之间的通讯。首先对欠驱动无人水面艇进行重心偏移分析,将无人水面艇的质量矩阵转化为对角阵,从而方便设计欠驱动无人水面艇编队控制器。采用tan型障碍李雅普诺夫函数,保证相对信息编队的相对距离误差和相对角度误差始终满足所预先设计的边界性能函数约束。利用动态面技术避免对虚拟控制器进行求导,从而解决虚拟控制器的导数包含领航者的速度和加速度等未知项的问题。由于无法获取领航者的速度等信息,采用高增益观测器估计领航者速度。利用自适应神经网络逼近无人水面艇模型中的不确定动态。所设计编队控制器使得基于相对信息的编队误差收敛到零附近的小领域内,并满足预先设定的暂态和稳态性能。最后通过数值仿真验证编队控制器的有效性。