面向远洋的风力直驱水面无人船设计、控制与能源管理关键技术研究

Exploration in the ocean has boosted the development and dissemination of civilizations for humankind. However, due to the danger and shortage of energy and efficiency, human activities are very limited. The proposal targets to free humans from dangers by the autonomous sailing boat (ASB), and will explore methodologies to utilize the enriched wind energy with high efficiency, so as to elongate both distance and duration of the ASB. The researches will be focused on: (1) Design and optimization of the ASB platform directly driven by wind. This will provide an innovative experimental platform for motion control and energy management. (2) Based on regenerative power conversion, adjust the surface wind fields near the sail, and further optimize wind-thrust and energy gained. This will provide a brand-new coupled wind-energy utilization approach. (3) Model the human strategy in sailing boat control and path planning, and enable ASB for highly efficient control and motion. (4) Decouple and model the combined energies, including wind, water flow, solar and electricity. With fusion of environmental energy sources, derive the energy management strategy for long-range and long-duration motions. This project will provide new knowledge and technologies for the design, motion control, and energy management on unmanned surface vehicles (USV) for far sea. It will not only enhance the theoretical research in our USV in remote area, but also boost the applicable development and support the national strategy in oceans significantly.

探索广袤的海洋，对于人类文明的发展和传播起着巨大的推动作用。然而，人类对海洋的探索活动非常有限，面临着危险、能源、效率等多方面束缚。本项目以无人帆船为载体，围绕着远距长航时的目标，探索对海面丰富风能的高效利用。将研究的内容和创新之处在于：（1）优化设计风力直驱水面无人船研究平台，为运动控制、能量管理等理论与技术研究提供创新的实验条件；（2）通过再生发电调节风帆两侧的表面风场，在风帆推力和发电功率之间取得优化控制，探索新型高效风能耦合利用方式。（3）对于人类驾驭帆船控制行为和路径规划经验开展建模，优化形成高效新型控制方法和路径规划策略。（4）对于风水光电复合能源解耦建模，综合预测环境能量源，形成远距长航时的能量管理策略。通过上述研究，为远洋水面无人船的设计、运动控制、能源管理提供新的知识与技术，不仅能增强我国在远洋水面无人船的基础理论研究，还能带动一系列应用开发，支撑国家的海洋战略。

面向广袤海洋的探索，需要观测、运输等各种活动，而传统的人类探知活动面临着危险性高、能源少、效率低等多方面的束缚，需要一种长航程、长航时的技术手段，提供安全高效的远洋探索条件。本项目围绕如何高效利用海面丰富的天然能源，包括风、水、光等，提升机器人技术，实现这些目标。以无人帆船为平台，探究了设计、控制、能源管理的关键技术。项目的主要研究内容包括：.（1）风水光电混合能源的高效本体设计与优化。设计了单体/双体四种尺寸的小型帆船、风电混合动力驱动的小型帆船、中型载人级无人帆船；研究了微型风帆的设计、再生发电的风电帆模块设计与推力优化分析、利用水面波动的高效太阳能发电模块的设计与控制、稳向板水电模块的设计与优化分析；建设了网控小型帆船测试平台（STAr）、湖面和海面测试场，提供了重复性实验与数据获取与分析的条件。.（2）对于风帆受力建立了模型，研究了在复杂风场中基于人类帆船操控经验的自主运动控制方法，以及基于风帆受力模型的优化控制策略，实现了小型风力直驱帆船的自主运动、定点控制、障碍规避，以及中型帆船在复杂海况中的自主运动与避障；探究了风力驱动与电力驱动混合的小型帆船的逆风转向控制方法，极大提高了成功率。.（3）研究了能量优化管理策略，建立了基于伪谱和极值搜索的方法，操控风帆和船舵，达到了帆船运动中的节能效果；提出了兼顾路径跟踪与能量优化的控制频率优化方法，进一步提高了帆船的航程与航时；通过海面测试，达到了45天的连续生存时间和累计约1200千米的行驶距离。.项目探索的关键技术，揭示了无人帆船在复杂风场中的运动规律和控制方法，海洋风、水、光电等能源获取的模块设计与优化方法，面向长航程长航时的能源管理策略，为面向远洋的智能机器人与高效能源系统的研究提供了理论基础和技术支撑。