过去十年间,水面无人艇(Unmanned Surface Vehicles)广泛应用于海洋监控、深海测绘和海底勘探等领域。对于某些复杂任务,单一水面无人艇难以有效完成,需要多水面无人艇协作,共同完成。水面无人艇编队系统可以有效提高完成任务的效率,是当前学术界和工业界研究的热点。本文就水面无人艇的有限时间/固定时间协同编队控制问题展开研究,主要内容如下:1.建立纵荡、艏摇和横荡三自由度下,水面无人艇的运动学模型。通过建立惯性坐标系和附体坐标系,合理建立水面无人艇的三自由度数学模型;在该模型基础上,通过引入状态和输入变换,将水面无人艇编队的数学模型转化成级联系统形式,便于实现对水面无人艇编队系统的有限时间控制及固定时间控制。2.在系统初始状态已知的前提下,设计一种基于有限时间理论的水面无人艇协同编队控制器,实现了欠驱动水面无人艇的有限时间协同编队控制。在此控制器的作用下,水面无人艇编队的控制过程大致分为两个阶段:第一阶段是编队建立阶段,采用“加幂积分”的方法加速系统的收敛过程,在有限时间内将各水面无人艇控制到集结位置;第二阶段是编队保持阶段,通过设计协同控制律使整个编队以期望的速度朝着指定方向运动。对上述控制过程进行仿真,仿真结果验证了水面无人艇有限时间编队控制方案的合理性和有效性。3.在系统初始状态未知的情况下,考虑外部扰动的影响,设计一种针对水面无人艇编队的固定时间协同控制器,实现欠驱动水面无人艇的固定时间协同编队。在此控制器的作用下,水面无人艇编队的控制过程同样分为两个阶段:第一阶段根据固定时间稳定理论对系统进行变换,并利用干扰观测器估计外部扰动的值,在控制律中引入等效补偿抑制干扰并在固定时间内将每个水面无人艇控制到集结位置;第二阶段设计水面无人艇编队的协同控制器,使整个编队获得期望的前进速度。与有限时间控制方法的主要区别在于其收敛时间上界不依赖于系统的初始状态。水面无人艇编队系统的收敛时间完全取决于控制器的设计参数。对上述控制过程进行仿真,仿真结果验证了水面无人艇固定时间编队控制方案的合理性和有效性。