无监测海域先验信息的多自主水下航行器最优覆盖控制研究

In order to meet the requirement for autonomous and efficient ocean monitoring, this project is aim to study the coverage control for multiple autonomous underwater vehicles (AUV) based on our previous achievements in this filed. The main research content includes: (1) to explore the influence of the limit sensors field of view, the moving ability of the AUV, the environment and other factors on the coverage control, and derive the mathematical model for the coverage control, (2) to explore the influence of the disturbances, such as the current, on the monitoring area partition, and design the dynamic region partition algorithm under intermittent communications based on the estimation of the environment information density, and (3) to explore the influence of the underactuated character and other constraints on the performance of the coverage control, and design the data driven underactuated AUV optimal trajectory control. We will provide the rigid proof for the proposed algorithm and the experimental results on multiple AUVs. Through this study we will further promote the development of the coverage control and enhance the autonomous of the AUV in the ocean monitoring. The outcome of this project will benefit both the civil and the military, and will promote the ocean protection and development.

为满足高效、自主的海洋监测需求，以课题组多年研究积累为基础，开展多自主水下航行器(AUV)覆盖控制研究，主要研究内容包括：(1) 探索传感器视野受限、AUV运动能力、环境信息等因素对覆盖控制的影响机理，建立多欠驱动AUV覆盖控制模型；(2) 揭示洋流干扰等因素对多AUV最优区域分配的影响规律，在对环境信息密度估计的基础上，设计间歇通信下的多AUV动态区域分配算法；(3) 揭示AUV欠驱动特性及各种约束对覆盖控制性能的影响规律，提出基于数据驱动的欠驱动AUV最优航迹控制方法；给出所提算法的稳定性证明，并利用AUV平台进行实验研究。通过该项目的研究，推动覆盖控制理论的发展，提高多AUV海洋环境监测的自主性。本项目的研究成果在军民两个领域都有广泛的应用前景，对我国海洋保护与开发有一定的促进作用。

利用自主水下航行器（AUV）进行海洋环境的监控、探测，是国家安全、经济发展、环境保护、资源开发以及防灾减灾不可缺少的基础技术和信息获取手段。本项目针对无先验海域信息下的区域监测问题，以多AUV网络为控制对象，利用覆盖控制的相关理论，研究并开展了无先验监测海域信息的多欠驱动AUV最优覆盖控制方法，具体的研究内容与研究成果包括：.(1)针对多AUV在无先验海域信息环境下的覆盖控制建模问题，综合考虑目标海域内的目标分布以及水文参数，并以各个AUV的航行消耗及其对海域信息的估计误差作为约束条件，明确了各个因素对多AUV覆盖控制的影响机理，并提出一种多AUV覆盖控制模型；.(2)针对水下通信的局限性，即间歇通信下的多AUV动态区域分配约束，研究并提出一种仅依靠自身探测信息对环境状态的增量式估计算法，同时结合海洋环境对AUV自身的干扰、环境威胁或障碍、AUV动力学约束等因素，实现了目标区域的监测区域动态分配。.(3)针对AUV在复杂水下环境中的精准航迹跟踪控制问题，考虑洋流干扰、AUV欠驱动运动特性等约束因素，提出洋流影响下面向最小航行时间的覆盖控制方法，实现了AUV 的自主航迹优化与跟踪控制。.项目组基本完成了计划书中的相关研究目标，突破了AUV海域覆盖监测过程中的先验信息不确定、间歇通信、洋流干扰等技术瓶颈，提出并验证了无先验海域信息下的信息分布估计方法、洋流影响下面向最小航行时间的覆盖控制方法与时变海域信息下多AUV的动态区域分配方法，实现了复杂约束条件下的多AUV海域覆盖观测，提升了多AUV在海域监测任务中的自主能力与自适应能力。