面向海洋溢油清理的多水面无人船覆盖控制方法研究

Ocean oil spills cleanup is significant in ocean environment protection. In this proposal, by using the coverage control theory, a group of unmanned surface vehicles (USVs) is used to clean up the ocean oil spills. The main research content includes: (1) Firstly, we formulate the coverage control models and the cost function for the multi-USV systems in the ocean oil spills cleanup. (2) According to the measurements from USVs, we develop an effective estimation algorithm for the distribution of the ocean oil spills, which is particularly suitable to time-varying and clustered cases. (3) Based on the estimated distribution of the oil spills, we calculate the optimal tracking trajectories for the multi-USV systems. (4) While considering the model uncertainties and external disturbances in USV, a robust control scheme is proposed to drive each USV following its desired trajectory. On this basis, an experimental platform with multiple USVs is developed to verify the proposed approaches. Through these studies, we can effectively clean up the regions with more oil spills and extend the applications of coverage control.

本项目以国家海洋环境保护的重大需求为导向，研究面向海洋溢油清理的多USV覆盖控制问题，采用“数理建模-协同估计-航迹规划-运动控制”的研究思路，构建面向海洋溢油清理任务的多USV覆盖控制系统，并设计相应的覆盖控制方案。主要研究内容包括：1）探索多USV油污清理能力与目标区域内油污分布状态之间的作用关系，建立多USV覆盖控制数理模型与评价函数；2）针对目标区域内油污分布的时变性与聚集性，设计实时精准的油污分布估计算法；3）根据油污分布估计结果，规划多USV最优航行轨迹；4）研究洋流、海风以及油污附着物影响下的USV运动控制方法，确保USV轨迹跟踪系统的鲁棒稳定性。在此基础上，通过构建多USV协同控制实验平台，进一步完善与验证本项目所提的多USV协同油污清理控制方法。通过上述研究，本项目能够根据油污分布状态，合理分配多USV，比传统方法效率更高，具有重要的理论创新和实际应用价值。

本项目以国家海洋环境保护的重大需求为导向，研究面向海洋溢油清理的多USV覆盖控制问题，采用“数理建模-协同估计-航迹规划-运动控制”的研究思路，构建面向海洋溢油清理任务的多USV覆盖控制系统，并设计相应的覆盖控制方案。在以上研究目标的指引下，本项目主要了探索多USV油污清理能力与目标区域内油污分布状态之间的作用关系，定义了时变溢油密度下多自主无人船的覆盖控制效果及溢油分布密度估计的性能指标函数，建立多USV覆盖控制数理模型与评价函数；针对目标区域内油污分布的时变性与聚集性，提出了一种基于RBF-KF 的溢油密度估计算法，在滤除采样噪声的同时提高了运算效率，并能够实时精准的估计油污分布；在航迹规划方面，并根据油污分布估计结果，研究面向最短时间的多自主无人船分布与轨迹规划策略，计算多自主无人船在目标区域内的最优分布位置以及相应的负责区域规；在此基础上，通过研究洋流、海风以及油污附着物影响下的USV运动控制方法，综合考虑欠驱动自主水面无人船的覆盖控制问题以及多驱动装置的水面无人船覆盖控制问题，分别提出了相应的动力学层次的覆盖控制方法，确保USV轨迹跟踪系统的鲁棒稳定性。