自主无人艇-机集群跨域协同核心理论、关键技术及应用

主要完成人：张海涛 赵金 苏厚胜 刘雪明 曹治国

海洋无人系统是国家海洋强国战略的使能技术之一。重大海洋设施探测、海洋资源勘测、海防巡逻预警等作业过程中，往往面临着恶劣、高强度作业水域的突发情况，无人艇集群如何高效应对，面临一系列技术挑战。海洋经济的飞速发展对无人艇集群协同种类、抗扰能力、覆盖广度、目标识别精度等提出的要求日益严苛。传统艇群协同技术难以做到“以突变应对突发”，这就成为研制国之重器、提升海洋无人装备性能的拦路虎。高效、超稳、高精是无人艇-机集群技术制高点，一直是国际性难题，尚未形成系统的理论与技术解决方案。

图1、自主无人艇团队基础理论、核心技术、系列部件、成套装备、工程应用等代表性成果

鉴于此，2014年，华中科大自动化学院（人工智能与自动化学院前身）创立了自主无人艇团队，并由辽宁舰总设计师朱英富院士担任顾问。在国基金杰青、集成、重大、珠江计划等项目资助下，团队深入开展了水面异构无人艇集群协同理论与技术研究。如图1，开发了从1.2米到6.8米的四个型号无人艇，覆盖了内河湖、港区和近海作业需求。如图2，揭示了航速、航向等强耦合机制，研制了直驱矢量喷水推进器，发明了无人艇矢量推进抗扰超稳定控制技术，开发了双层预测控制器，保障“控得稳、走得直”，较之国际航道一级测量精度要求提高了56%。代表性理论成果发表于Nature.Commun, PNAS, NSR等重要刊物。

图2、自主无人艇高能量密度驱动器、矢量喷推和高精度航迹跟踪与避障

在上述无人艇控制理论技术基础上，2021年以来，随着海洋设施监测、海洋资源探测等作业需求日趋复杂，团队将水面无人艇集群拓展为海空跨域无人艇-机集群，开展跨域协同-广域高精目标识别-故障自愈合研究，取得了系列原创性成果：1、提出了无人艇-机集群作业队形的相变调控和快慢子跨域协同方法和技术：如图3，将集群应对水域突发事件由渐变改进为突变式，集群的无序到有序时间较国际领先的瑞典皇家理工学院降低37%。突破了水面运动无人艇的无人机起降、艇-机编队跨域协同效率，将可协同无人艇-机类型提高2倍，水面运动艇-机自主降落误差降低25%。达到“调控灵、应对快”。2、发明了集群协同覆盖、多艇多源感知与高精识别跟踪技术：提出了视觉、雷达等多体多源信息配准技术，发明了防粼光、降噪、稳像目标识别跟踪部件，传感器达到5类，实现了多源配准-深度融合-协同追踪的一体化技术突破。如图4，将探测模式从平面拓展为立体，检测遗落率小于0.8%，保障“识得全、看得清”。3、揭示了集群“雪崩”灾害规律，提出了集群韧性增强技术：如图1上中图，阐明了跨域集群耦合网络的级联故障发生机理，精准定位了耦合网络的崩溃临界点，发现了结点度分布对系统鲁棒性的影响规律，提出了通过保护极少数点边提前阻断集群灾害的方法。实现了集群故障的“点穴式”提前阻断、集群韧性增强和故障自愈合。4、开发了成套无人艇-机集群装备，应用于重大海洋设施监测和南海油气资源探测等工程：实现了跨海通道沉管隧道大范围实时同步回淤检测，显著提高了水下探测效率。应用于广东省10余座海上风电场桩机等检测，累计测线2000余公里。研发多艇协同探测系统，搭载于科考母船，应用于我国观测剖面最大观测时间最长的海洋大地电磁勘测。应用于九段线岛礁海域的资源电磁探测，三年累计测线达1400公里，满足了国家急需。协同控制、协同探测等核心技术先后在中船重工、广船国际等成果转化。艇-机跨域协同等部件成为中船701所、707所、广船国际等十余型无人船舶的重要任务载荷，成果被国务院和国防部报道。如图5，打造了广东省全自主无人艇工程技术研究中心、松山湖无人艇实验基地，并与广船国际共建了广州龙穴港区无人艇海测基地。基于上述平台建设成果，成功获批“自主智能无人系统”教育部工程研究中心。

图3、自主无人艇集群队形相变调控和无人艇-无人机集群跨域协同

图4、自主无人艇集群协同覆盖探测与目标识别

图5、自主无人艇研发中心、湖测和港区海测实验基地

2021年以来项目理论成果出版Springer专著一部，发表Phys Rept.(IF:30.51)、Automatica、IEEE汇刊等一区SCI期刊论文39篇，其中影响因子大于10的17篇。被来自27余个国家/地区，MIT、斯坦福等168个研究机构跟踪研究；施引者包括中国及欧美等院士12位。授权发明专利10件、制定国家标准1项。中国自动化学会鉴定：无人艇集群相变调控国际领先。中国人工智能学会鉴定：艇-机快慢子协同、小型平台无人机起降两项技术国际领先。入选2021年湖北省人工智能重大创新成果。2017年来新增产值16.8亿元。理论成果牵头获湖北省自然科学一等奖、技术成果牵头获广东省技术发明一等奖。第一完成人2022年入选国家杰青，第三完成人入选国家青年拔尖和科睿唯安高被引科学家。