Uncrewed Surface Vehicles (USVs) are a popular and efficient type of marine craft that find application in a large number of water-based tasks. When multiple USVs operate in the same area, they may be required to dock to each other to perform a shared task. Existing approaches for the docking between autonomous USVs generally consider one USV as a stationary target, while the second one is tasked to reach the required docking pose. In this work, we propose a cooperative approach for USV-USV docking, where two USVs work together to dock at an agreed location. We use a centralized Model Predictive Control (MPC) approach to solve the control problem, obtaining feasible trajectories that also guarantee constraint satisfaction. Owing to its model-based nature, this approach allows the rejection of disturbances, inclusive of exogenous inputs, by anticipating their effect on the USVs through the MPC prediction model. This is particularly effective in case of almost-stationary disturbances such as water currents. In simulations, we demonstrate how the proposed approach allows for a faster and more efficient docking with respect to existing approaches.


翻译:无人水面航行器(USV)是一种广泛应用且高效的水上航行器,在众多水域任务中发挥着重要作用。当多个USV在同一区域作业时,它们可能需要相互对接以执行协同任务。现有自主USV对接方法通常将其中一个USV视为静止目标,而另一个则负责抵达预设对接位姿。本研究提出一种USV间协同对接方法,使两艘USV通过协作在约定位置完成对接。我们采用集中式模型预测控制(MPC)方法求解该控制问题,在获得可行轨迹的同时确保约束条件满足。基于其模型驱动的特性,该方法可通过MPC预测模型预估扰动(包括外部输入)对USV的影响,从而实现扰动抑制。这对于水流等近似稳态扰动尤为有效。仿真结果表明,相较于现有方法,所提方案能够实现更快速、更高效的对接过程。

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