【2022重大学术进展】张海涛团队:自主无人艇-机集群跨域协同核心理论、关键技术及应用
发布时间:2022.12.12

来源:校学术委员会 编辑:张雯怡 浏览次数:

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。


undefined

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)、AutomaticaIEEE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。

学校微博
双月单篇点击量排名