全自主无人艇编队协同控制理论与应用研究

Formation control is a research hotspot in collaboration of multi-agent systems, which is widely used in many fields, such as aerospace, military, industry and so on. The cooperative technology of autonomous unmanned surface vehicles (USVs) formation plays an important role in maintaining national marine rights and interests and controlling national water resources. It has become one of the front research directions of formation control of multi-agent systems in recent years. At present, there are still some urgent and difficult issues to be solved in the cooperative control of autonomous USVs formation. The research project aims to carry out the core theory and application researches of path planning, distributed detection and coordination of multi-USVs when USV formation is applied in the collaborative clean-up operation. The research contents include the exploration of the self-organizing cooperative regulation mechanism of multi-USVs, the design of collaborative detection strategy for USV formation and the development of collaborative controller for USV formation under weak communication. The research project is expected to provide support for new theories and new methods for efficient operation by the coordination of multi-USVs.

编队控制是多智能体系统协同中的一个研究热点，被广泛应用于航天、军事、工业等多个领域。全自主无人艇编队协同技术在维护我国海洋权益、管控我国水域资源等方面发挥着重要作用，成为了近些年来多智能体编队控制的一个前沿研究方向。目前全自主无人艇编队协同控制还存在一些亟待解决的难题。本项目旨在开展面向协同清污作业任务的无人艇编队自主路径规划、分布式探测以及多艇协同等核心理论与应用研究。研究内容主要包括：探索多无人艇自组织协同调控机制，设计无人艇编队协作探测策略以及研制弱通讯下的无人艇编队协同控制器。项目预期为多艇协同下的高效作业提供新理论和新方法的支持。

无人艇编队控制理论与技术对维护我国海洋权益、管控我国水域资源起着至关重要的作用，其理论与技术的难点在于实际水域环境形态多变、干扰众多，无人艇自身动力学模型具有非线性、强耦合、欠驱动等特性，且无人艇的通讯能力往往受限。针对这些理论和技术难点，本项目在无人艇编队构型调控、协作探测、协同围捕和实际水域作业实验等方面开展了系统的研究，取得如下5个主要研究进展：.（1）提出了一种无人艇编队构型自适应调控策略，构建了水流影响下的无人艇运动学和动力学模型，提出了基于模型预测控制的轨迹跟踪算法，实现了领导者对约束环境中的轨迹准确跟踪，提出了分布式轨迹状态估计算法，实现了跟随者准确跟踪估计的轨迹，并与领导者形成环境自适应的编队。.（2）发展了基于局部方位角信息的网络协同定位技术，提出了一种基于事件触发的方案来实现三维空间多智能体系统的方位定位，依赖方位角刚度设计了一种事件触发的定位方法， 该方法在少数个体方位角已知的前提下，可以对集群网络中所有个体进行定位。.（3）设计了多智能体系统基于间歇通讯的协同控制协议，提出了不同类型的分布式事件触发机制，实现了不同通讯场景和要求下的异构多智能体系统的一致性/同步，有效降低了对网络通讯带宽的要求。.（4）研制了一种基于局部信息的无人艇编队协同双层围捕控制器，搭建了包含顶层编队控制与底层运动控制的无人艇双层控制框架，分别设计了编队控制器与运动控制器，实现了无人艇编队在时变间断通讯条件下对动态目标的协同围捕。.（5）搭建了室内无人船平台和实际水域无人机-艇实验平台，基于团队自主研发的室内无人船和多型无人艇，开展了一系列无人艇编队和无人机-艇协同作业实验。.基于上述理论和应用研究进展，本项目以期为无人艇集群在管控水域资源、维护海洋权益、保护海洋生态等方面提供理论支撑和实践经验。