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Velocity-Obstacle and COLREGs-Based Safety Control for Underactuated USVs with a Fixed-Time Fuzzy Observer: Theory and Experiment

Este artículo propone y valida experimentalmente un sistema de control de seguimiento de puntos de referencia seguro para USV subactuados que integra una estrategia de guía de obstáculos de velocidad derivada analíticamente y conforme al COLREGs con un observador difuso de tiempo fijo para asegurar la evitación de colisiones y el rechazo robusto de perturbaciones en entornos marítimos dinámicos.

Autores originales: Zheng Wang, Yongsheng Zhao, Zhiyi Wang, Xiaohong Yan, Dongdong Mu, Xiao Liang, Yiqi Wang, Qian Wang

Publicado 2026-10-22

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CC BY 4.0

Autores originales: Zheng Wang, Yongsheng Zhao, Zhiyi Wang, Xiaohong Yan, Dongdong Mu, Xiao Liang, Yiqi Wang, Qian Wang

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

El océano es un lugar de trabajo vasto e impredecible donde las máquinas deben aprender a navegar sin manos humanas al volante. Los vehículos de superficie no tripulados, a menudo llamados USV, son barcos robóticos diseñados para patrullar costas, monitorear la contaminación o entregar suministros. Están construidos para ser simples y rentables, lo que a menudo significa que carecen de la capacidad de moverse lateralmente como un cangrejo; solo pueden empujar hacia adelante y girar. Esta limitación convierte el timonearlos a través de vías navegables concurridas en un rompecabezas complejo. El desafío se ve agravado por el hecho de que el océano nunca está quieto. El viento, las olas y las corrientes empujan constantemente estos barcos fuera de su curso, mientras otros barcos se mueven a lo largo de sus propios caminos. Para operar de manera segura, estos robots no solo deben seguir una ruta planificada, sino también reaccionar instantáneamente para evitar colisiones, todo ello cumpliendo un estricto conjunto de reglas internacionales conocidas como las "reglas de navegación" para el mar. Estas reglas dictan exactamente quién debe ceder el paso a quién en situaciones como aproximaciones frontales o cuando se cruzan los caminos, asegurando que cada embarcación conozca su deber para prevenir accidentes.

Un equipo de investigadores de la Universidad Marítima de Dalian ha desarrollado una nueva forma de enseñar a estos barcos robóticos cómo navegar de forma segura a través de tales condiciones concurridas y turbulentas. Su trabajo combina un método matemático para predecir el peligro con un sistema inteligente que aprende a ignorar el empuje y el tirón del océano. El núcleo de su solución es una estrategia llamada método de obstáculo de velocidad. Imagine un barco robot mirando hacia adelante y dibujando un cono invisible en el agua que representa todas las velocidades y direcciones que podría tomar y que eventualmente llevarían a un choque con otro barco. Si el barco se mantiene fuera de este cono, está a salvo. Sin embargo, simplemente evitar un choque no es suficiente; el barco también debe seguir las reglas de navegación del mar. Los investigadores perfeccionaron este método para que el robot no solo elija cualquier dirección segura, sino que específicamente elija la que cumple con las reglas, como girar a la derecha al encontrarse con otro barco de frente. Esto asegura que el robot se comporte como un capitán humano responsable, no solo como una máquina esquivando obstáculos.

Para manejar la realidad física del océano, el equipo añadió un "observador difuso" al cerebro del robot. Este es un tipo de estimador inteligente que calcula constantemente qué tan fuertes son el viento y las olas que empujan al bote en cualquier momento dado. A diferencia de los sistemas más antiguos que podrían tardar tiempo en comprender estas fuerzas, este nuevo observor calcula la perturbación y corrige el rumbo del bote en un tiempo fijo y muy corto, independientemente de qué tan fuerte fue el empuje inicial. Esto permite que el bote se mantenga en su ruta prevista incluso cuando el entorno es agitado. Los investigadores probaron este sistema de dos maneras. Primero, realizaron simulaciones computacionales detalladas donde el barco robot tenía que navegar un curso mientras otros cuatro barcos virtuales se movían a su alrededor, creando escenarios de encuentro frontal, de cruce y de adelantamiento. Los resultados mostraron que el bote se movía suavemente, evitando los giros bruscos y repentinos que suelen afectar a otros sistemas de evasión de colisiones, y se mantuvo dentro de las reglas de seguridad en todo momento.

La verdadera prueba, sin embargo, ocurrió en el agua. El equipo llevó un bote robótico de 4,9 metros al mar abierto para realizar una misión en el mundo real. Dado que no podían traer fácilmente otros barcos en movimiento por razones de seguridad y logística, crearon una flota "virtual". La computadora del bote fue programada para creer que otros tres barcos se dirigían hacia él, y este tenía que reaccionar a estas amenazas invisibles como si fueran reales. El bote identificó con éxito estos encuentros virtuales y ejecutó las maniobras correctas: girar a la derecha para pasar por detrás de un barco que cruzaba, maniobrar para evitar un encuentro frontal y adelantar a una embarcación más lenta. A lo largo del experimento, el bote mantuvo una distancia segura de al menos 10 metros de todas las amenazas virtuales. Los datos confirmaron que el bote podía seguir su ruta con precisión, recuperarse rápidamente después de realizar un giro y manejar las fuerzas físicas del mar sin perder el control.

Si bien la evasión de colisiones y las partes de guía del sistema fueron probadas en las pruebas de mar, los investigadores señalaron una pequeña limitación en su prueba de campo. El observador específico de "tiempo fijo" diseñado para estimar el viento y las olas no fue probado completamente en el agua porque los motores del bote no proporcionaban los datos de velocidad precisos necesarios para ejecutar esa parte específica del modelo. En su lugar, utilizaron un controlador ligeramente diferente y ya probado para la prueba de mar. Esto significa que el paquete teórico completo todavía se está refinando para su despliegue en el mundo real, pero la lógica central de seguridad funcionó perfectamente. El estudio demuestra que es posible construir un barco robótico que pueda navegar en entornos complejos y regulados con un nivel de suavidad y confiabilidad que se acerca a la habilidad humana. Al combinar la adherencia estricta a las leyes marítimas con matemáticas avanzadas de rápida reacción, los investigadores han dado un paso significativo para hacer que los barcos autónomos sean una realidad práctica para el futuro de la ingeniería marina.

Resumen Técnico: Control de Seguridad Basado en Obstáculo de Velocidad y COLREGs para USVs Subactuados

Planteamiento del Problema
El artículo aborda el desafío del seguimiento seguro de puntos de ruta (waypoints) para Vehículos de Superficie No Tripulados (USV) subactuados que operan en entornos marinos dinámicos. Estos vehículos, que típicamente carecen de propulsores laterales, deben navegar mientras encuentran embarcaciones obstáculo en movimiento y perturbaciones ambientales externas (viento, olas, corrientes). La dificultad central radica en diseñar un sistema de control que garantice simultáneamente la precisión del seguimiento de la trayectoria, cumpla con el Reglamento Internacional para Prevenir Abordajes en el Mar (COLREGs) y mantenga la estabilidad a pesar de las incertidumbres del modelo y las perturbaciones desconocidas. Los métodos existentes suelen presentar dificultades con la continuidad de los comandos, la complejidad computacional o la integración explícita de los COLREGs en las leyes de guía analíticas.

Metodología
La solución propuesta integra una capa de guía y una capa de control:

Estrategia de Guía VOBCG:
- Los autores proponen un método de Guía Basada en Obstáculo de Velocidad y COLREGs (VOBCG, por sus siglas en inglés). A diferencia de los enfoques basados en optimización que buscan o muestrean el espacio de velocidad admisible, este método deriva rumbos comandados directamente de la información analítica del límite del Obstáculo de Velocidad (VO).
- El enfoque define un dominio de seguridad basado en la suma del radio del propio buque, el radio del buque objetivo y un margen de seguridad (buffer). Cuando un objetivo entra en este dominio, la guía cambia del seguimiento de línea de visión (LOS) a la evasión por VO.
- Los conos de colisión se mapean al espacio de velocidad absoluta para definir los límites de evasión. El sistema clasifica los encuentros en tres escenarios —choque frontal, reborde (overtaking) y cruce— y aplica reglas de gobierno específicas que cumplen con los COLREGs (por ejemplo, girar a estribor para encuentros frontales y de cruce) para seleccionar el rumbo comandado ( $\psi_d$ ) directamente de los ángulos de límite del VO ( $\lambda^{\pm}_{VO}$ ).
Controlador de Observador Difuso de Tiempo Fijo (FT-FO):
- Para manejar las perturbaciones externas y las incertidumbres agrupadas, se integra un Observador Difuso de Tiempo Fijo (FT-FO) en el marco de control. Este observador utiliza sistemas de lógica difusa para aproximar la dinámica no lineal desconocida y las perturbaciones externas.
- La ley de control emplea la teoría de estabilidad de tiempo fijo, utilizando exponentes de orden fraccionario en la dinámica del error para asegurar que los errores de observación y seguimiento converjan dentro de un tiempo fijo, independientemente de las condiciones iniciales.
- Se proporciona un análisis de estabilidad basado en Lyapunov para demostrar que el sistema de lazo cerrado logra una estabilidad de tiempo fijo práctica.
Validación Experimental:
- Simulación: Se utilizó un entorno Simulink con un modelo de USV de 4.9 m ("Lanxin") para probar el algoritmo contra cuatro buques objetivo en movimiento que simulan varios escenarios de encuentro.
- Pruebas en el Mar: Se realizaron experimentos en el mundo real utilizando una plataforma USV de 4.9 m. Debido a limitaciones de hardware (falta de datos de velocidad de rotación de los propulsores requeridos para el modelo dinámico completo), las pruebas en el mar utilizaron un controlador difuso T-S para la ejecución física, mientras que el FT-FO fue validado mediante simulación. Se introdujeron buques objetivo virtuales para simular encuentros con obstáculos en aguas abiertas.

Contribuciones Clave
El artículo destaca tres contribuciones principales:

Método Analítico VOBCG: A diferencia del método de Obstáculo de Velocidad Proactivo (PVO), que depende del muestreo discreto y la optimización, el VOBCG propuesto deriva comandos continuos a partir de límites analíticos. Esto elimina las oscilaciones de comando y el chattering, resultando en una guía de rumbo y velocidad de avance más suave, la cual es más adecuada para la implementación de ingeniería.
Observador Difuso de Tiempo Fijo: El desarrollo de un controlador FT-FO que ofrece una convergencia de estimación de perturbaciones más rápida en comparación con los observadores de tiempo fijo convencionales. El análisis teórico confirma la estabilidad de tiempo fijo práctica del sistema de lazo cerrado.
Validación Experimental Integral: El estudio establece una plataforma de experimentación marina para validar el esquema de evasión de colisiones. Demuestra con éxito la capacidad del sistema para manejar escenarios de choque frontal, reborde y cruce en entornos marinos reales manteniendo el seguimiento de los puntos de ruta.

Resultados

Simulación: El método VOBCG demostró una precisión de seguimiento de trayectoria y una suavidad de comando superiores en comparación con el método PVO. El USV evitó con éxito todos los cuatro obstáculos dinámicos cumpliendo estrictamente con los COLREGs (por ejemplo, pasando por la popa de los objetivos de cruce y ejecutando giros a estribor para los encuentros frontales). Los errores de posición aumentaron durante las maniobras de evasión, pero convergieron rápidamente una vez que la amenaza desapareció.
Pruebas en el Mar: Los experimentos de campo confirmaron la viabilidad de la estrategia. El USV mantuvo distancias relativas estrictamente por encima del umbral de seguridad de 10 metros durante las interacciones con los obstáculos virtuales. El sistema demostró una respuesta dinámica rápida y un seguimiento de alta precisión del rumbo deseado.
Desempeño del Observador: Los resultados de la simulación mostraron que el propuesto FT-FO podía reconstruir las perturbaciones de manera más rápida y con un error menor que los observadores de tiempo fijo estándar.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que la estrategia propuesta cierra eficazmente la brecha entre la evasión de colisiones teórica y el despliegue de ingeniería práctica. Al derivar los comandos analíticamente en lugar de mediante optimización, el método asegura la continuidad del comando, lo cual es crítico para los sistemas de propulsión físicos. La integración directa de los COLREGs en la ley de guía garantiza el cumplimiento legal en las operaciones marítimas.

Los autores señalan modestamente una limitación en la validación experimental: aunque el controlador FT-FO fue diseñado y simulado teóricamente, las pruebas físicas en el mar utilizaron un controlador difuso T-S debido a la falta de datos de retroalimentación de la velocidad de rotación requeridos para modelar los propulsores específicos de bajo costo de la plataforma experimental. Por consiguiente, la validación experimental completa del FT-FO queda reservada para trabajos futuros, a la espera de la adquisición de datos de velocidad de rotación para refinar el modelo dinámico del USV. Las direcciones de investigación futuras incluyen la investigación de mecanismos de control tolerantes a fallos y activados por eventos para mejorar aún más la robustez.

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