海上跨平臺無人系統機動組網與智能控制技術

張婷婷，鄧志良，劉云平，王 聰，胡 凱，曾 洪，宋愛國

(1.中國人民解放軍陸軍工程大學 指揮控制工程學院，江蘇 南京 210007；2.南京信息工程大學 信息與控制學院，江蘇 南京 210044；3.中國人民解放軍陸軍工程大學 野戰工程學院，江蘇 南京 210007；4.東南大學 儀器科學與工程學院，江蘇 南京 210037)

0 引言

隨著海洋信息技術向著無線寬帶化、網絡化、多手段、大覆蓋、立體化的方向迅速發展,海域已成為我國經濟社會發展的重要戰略空間[1]。由于無人系統等新一代信息技術與海洋科學的交叉融合滲透發展,集成海洋通信網絡[2]成為眾多學者的研究熱點,并在海洋信息網絡系統領域上得到了廣泛應用。

海洋環境具有以下特點:① 海域遼闊,觀測與探測任務繁重;② 海洋環境復雜多變[3],對觀測設備和方法提出了較高要求;③ 傳統的海洋觀測方法在覆蓋范圍、實時性和觀測效率方面存在局限。針對海洋信息大、分、散、變的特點,海洋信息對于人類認識海洋和經略海洋占據基礎性地位[3]。

海上無人系統組網技術是指將多個無人系統(如無人船、無人潛航器等)通過通信技術連接在一起,形成一個協同作業的網絡。在機動組網觀測方面,自2019年在海上實施了大規模的無人系統組網觀測后,我國突破了多無人機動設備協同導航以及多無人機動設備協同編隊控制技術,完成了大規模、多類型無人機動設備組網海上試驗[4]。在海面通信方面,由于海上無線通信面臨許多挑戰,如信號衰減、多徑效應和海洋氣象影響等。目前還未形成完整的海洋通信保障服務體系,主要依靠近岸移動通信網絡、短波/超短波電臺等技術進行[5]。因此,深入研究海上無線通信系統和選擇合適的網絡拓撲結構,是無人系統機動組網的關鍵技術和應用基礎。

針對當前海洋探測系統實時性低、同步性弱、機動性差等特點,目標設計一個海氣界面水文氣象參數實時測量與傳輸快速機動組網觀測系統,通過自適應組網技術和多智能體協同探測,實現海上自主接入快速組網和數據自動傳輸技術,執行對海上海-氣界面現象過程的快速觀測。

1 無人系統海洋自組網技術

無人系統海洋自組網技術[6]是指通過無人系統平臺在海洋中建立自主、動態、協同的觀測與控制網絡。該技術可以實現海洋環境參數的智能、高效、全方位采集和分析,從而為海洋領域的科學研究和應用開發提供重要支撐。目前,隨著無人系統技術的飛速發展,無人系統海洋自組網技術也得到了廣泛應用和深入研究。

1.1 海洋觀測網發展現狀

海洋觀測網是指基于現代信息技術手段,通過多種觀測手段對海洋環境及其變化過程進行系統、全面、連續、實時監測和分析的綜合性觀測平臺[7]。在過去的幾十年中,隨著我國經濟社會的快速發展以及日益凸顯的海洋利用需求和海洋環境保護意識,海洋觀測網得到了快速發展。

目前,我國正在加快推進海洋觀測網建設,形成了一批具有代表性的海洋觀測網體系[8]。國內已有多個海洋觀測網系統采用無人系統自組網技術,如東海海洋觀測網和北極海洋環境綜合觀測系統等。這些網站利用各類無人系統節點(如航行器、滑翔機和水下機器人等)構建無人系統網絡。這些無人系統節點之間通過通信協議進行數據傳輸和信息共享。同時,我國還在不斷拓展海洋觀測網的應用領域,如利用遙感技術進行海洋生態環境監測和資源調查、利用海底觀測系統進行海洋地質環境研究等。

國外方面,海洋觀測網也得到了廣泛研究和應用,如圖1所示。其中,美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)建立了全球海洋觀測網[9],該網通過衛星、浮標和船只等多種觀測設備,實現了對全球海洋環境的實時監測和預警。愛爾蘭海研究所(Marine Institute)和愛爾蘭海洋能源開發公司(SEAI)聯合建立了愛爾蘭海區域觀測網(ISCO)[10],旨在提供全球最先進的海洋觀測服務。此外,歐洲聯合研究中心(JRC)也建立了歐洲海洋觀測網(EMSO)[11],通過多種觀測設備,實現了對歐洲海洋環境的實時監測和數據共享。

圖1 國際海洋觀測網示例Fig.1 Examples of international ocean observation network

無人系統自組網技術是海洋觀測網建設中的重要技術手段,國內外在觀測節點相互通信、機動布網和協同觀測等方面的相關研究均處于起步與探索階段。

1.2 無人系統機動組網關鍵技術

多智能體機動組網及智能控制平臺主要在海上、地下等復雜環境中執行保障通信、協同觀測與應急處置任務,其中存在三大技術難題:① 大范圍穩定快速機動組網通信;② 通信受限下移動追蹤協同決策有效性;③ 復雜環境中通信和控制精度。為解決難題,本文提出以下3點關鍵性技術。

(1)面向多點協同追蹤觀測任務的無人系統自適應組網技術

針對無固定通信基礎設施下大范圍、低成本、高可靠通信的難題,提出面向多點協同追蹤觀測任務的無人系統自適應組網技術,無人平臺機動組網架構如圖2所示。

圖2 無人平臺機動組網架構Fig.2 Unmanned platform mobile networking architecture

該技術的核心思想是通過自組織和自適應的方式將各個無人系統節點形成一個網絡,使得節點之間可以互相通信、協作,并按照任務需求和環境變化進行動態優化和調整,以實現最佳的觀測和追蹤效果。具體來說,該技術包括節點選擇、節點位置及速度控制、通信協議和決策算法等多個方面的內容。當任務需求發生變化或者環境條件發生變化時,可以自動識別變化并做出相應調整,保證系統的魯棒性和穩定性。

(2)自組網通信協議和算法

針對實現異構無人平臺快速入網和無縫通信的技術難題,設計了自組網通信協議和算法,并采用如圖3所示的mesh組網[12]形式,使得不同的觀測設備之間能夠完成高效、穩定和可靠的通信,其組網協議層如圖4所示。

圖3 Mesh組網Fig.3 Mesh networking

圖4 組網協議層Fig.4 Networking protocol layer

船舶自動識別系統(AIS)通信協議[13]是一種應用廣泛的海上自組網通信協議,采用一種廣播式的傳輸方式,能夠提供很好的覆蓋范圍和通信效率;樹形分層拓撲結構是指將各個觀測設備按照層次結構組織起來,便于管理和控制,同時保證了通信鏈路的穩定性和可靠性[14];任務的多種簇首算法是指為實現最優的資源利用和任務分配,采用多種優化算法對任務進行調度和分配[15]。

(3)異構無人系統間通信技術

海洋環境中存在大量的水下障礙物、多路徑傳播和信道衰落等問題,傳統無線通信技術往往受到很大限制。透傳技術通過合理選擇頻率、調制方式和傳輸功率,能夠有效避免這些問題,提供更加穩定和可靠的通信性能。

透傳技術是一種通過水下、地下或空中等媒介傳遞信息的無線通信技術,它克服了傳統無線通信技術在海洋環境中的局限性,通過將數據信號轉化為特定的載波頻帶,利用水中或空中的傳播介質進行傳輸和接收。為海洋自組網中的異構無人系統提供了可靠的通信手段,實現了跨平臺無人系統之間的數據共享、任務分配和協同運動,提高了整個系統的控制精度和效率透傳技術具有較長的傳輸距離和高信道傳輸,海洋自組網中的無人船和無人機往往需要在較長距離上進行通信,傳統的直接通信方式難以滿足需求?？梢酝ㄟ^在透傳中適當調整傳輸參數,實現更遠距離的通信,從而實現多節點的協同通信,形成自適應網絡,使得各個節點之間實現信息共享、協同決策和資源優化。這種分布式的通信方式為海洋自組網的系統整合和控制提供了堅實的基礎。

2 無人系統智能控制理論

2.1 基于觸發機制的多智能體系統的一致性問題

當智能體之間通信時,經常有通信時滯的產生,且每2個智能體之間的通信時滯不一樣。對于時滯研究的方法,有些學者是把時滯區間分成若干份相等的區間,利用Lyapunov函數方法和積分不等式的技巧,得到使系統穩定的充分條件。本文利用多項式(SOS)的方法研究時滯問題,把SOS的方法應用到多智能體系統的包含控制問題中。

通過設計控制輸入,使得跟隨者的狀態進入到多個領導者的狀態形成的凸包里面(稱為包含控制),也稱為帶有多個領導者的一致性問題。為了節省能量的消耗,采取了基于觸發機制的一致性控制。引入用SOS的方法對差分耦合方程的控制器的研究,把上述結果應用到多個領導者的一致性問題(即包含控制)。

考慮二階領導者的動態如下:

(1)

二階跟隨者的動態如下:

(2)

式中:xi(t)為第i個智能體的狀態,ui(t)為控制輸入。

設計的一致性算法如下:

式中:tk為觸發時間,τ為時滯。

本文主要利用多項式逼近的方法,得到二階多智能體系統保守性更小的時滯上界。

2.2 帶有輸出飽和的多智能體系統的一致性問題

飽和是實際的控制系統中最為普遍的現象之一,大多數執行器不可避免地會出現飽和。如果執行器的輸入量達到一定限制,就進入了飽和狀態,因為進一步增加輸入不能對執行器的輸出產生任何影響[16]。

高階多智能體系統的動態方程如下:

(4)

智能體之間的通信協議如下:

(5)

為驗證提出算法的有效性,利用非線性系統、圖論等方法進行數值仿真,驗證多智能體系統能夠達到一致,仿真結果如圖5和圖6所示。

圖5 多智能體位置運動軌跡數值仿真Fig.5 Numerical simulation of multi-agent position motion trajectory

圖6 多智能體速度運動軌跡數值仿真Fig.6 Numerical simulation of multi-agent velocity motion trajectory

本文證明了在提出的一致性算法下,多智能體系統的狀態在有限的時間內能夠解決包含控制問題。

2.3 異質多智能系統的輸出一致性問題

在現實的復雜網絡中,每個智能體的動態是不一樣的,這類系統被稱為異質多智能體系統。

(1)無領導者的異質多智能體系統輸出一致性問題

異質多智能體系統的動態方程與輸出一致性定義如下:

當智能體的狀態不能直接測量得到時,提出了基于觀測器的一致性算法:

(8)

包含上述參數的輸出調節方程定義如下:

(9)

在上述提出的一致性通信協議和輸出調節方程下,多智能體系統能夠達到輸出一致性。

(2)有領導者的異質多智能體系統輸出一致性問題

領導者的動態方程如下:

(10)

當智能體的狀態不能直接測量得到時,基于觀測器的輸出調節算法如下:

(11)

在上述提出的一致性算法下,利用穩定性理論、圖論等方法,驗證異質多智能體系統能夠達到一致。仿真算例中的智能體通信拓撲結構與每個智能體的位置軌跡如圖7和圖8所示。

圖7 智能體的通信拓撲結構Fig.7 Communication topology of the agent

圖8 智能體集群的位置軌跡Fig.8 Position trajectory of agent cluster

3 海上無人系統集群智能控制技術

3.1 無人機間通信系統架構

無人機集群系統[17]在單架無人機系統的基礎上增加了LTE通信模塊,引入了正交頻分復用(OFDM)和多輸入多輸出(MIMO)等關鍵傳輸技術,顯著增加了頻譜效率和數據傳輸速率,并支持多種帶寬分配,頻譜分配更加靈活,系統容量和覆蓋也顯著提升。無人機群編隊通信系統框圖如圖9所示。

圖9 無人機群編隊通信系統框圖Fig.9 Block diagram of UAV cluster formation communication system

3.2 無人機集群快速編隊

設計基于給定有限時間分布式觀測器為跟隨無人機觀測領航者的軌跡信息[18];針對環境感知情況,建立無人機集群感知決策機制。然后,根據決策結果對無人機集群編隊進行切換。

(12)

然后,基于式(12)所獲取的領航者無人機位置信息,設計每個跟隨者無人機的控制器輸入設計如下:

(13)

引入無人機之間角度偏差信息,可以實現各種復雜編隊隊形。通過將環境感知結果進行分類處理,建立不同編隊對感知結果的對應關系。在無人機群集編隊飛行過程中,根據感知結果進行編隊切換,其中切換信號由領航者根據通信網絡拓撲關系發送給鄰近無人機,無人機依次傳輸發送切換信號,接收到切換信號的無人機根據切換信號信息進行相應的編隊模式切換。

4 海上探測示范應用

海上地區擁有豐富的海洋資源和生物多樣性,海洋觀測是國家戰略急需,基礎設施安全探測是國家穩定的基石,迫切需要發展信息化、智能化、無人化觀測技術[19]。通過應用無人系統機動組網與智能控制技術,提高海上探測的效率和準確性,對于科學研究和資源開發具有重要的意義。

4.1 無人系統機動組網實施

無人系統在海上觀測中具有自主性、靈活性、高效性等特點,既能夠適應海上海域復雜的海洋環境,又滿足達到快速機動的要求[20]。因此,提出了一種無人系統機動組網實施方案,通過多智能快速組網算法,實現對海上海氣界面現象過程的快速觀測。

觀測示范關注海區西起西沙群島,東至東沙海域,南至15°N,北至北部陸坡區。研究使用多臺觀測設備進行聯合觀測,包括浮標裝載拋投裝置、氣象站、波浪傳感器、ADCP和漂流浮標等。

觀測區域北部是一個復雜的海洋環境,涉及多種中尺度過程,包括渦旋、邊界流等。這些中尺度過程具有統計特征,如圖10所示?？梢酝ㄟ^對大量觀測數據的分析和處理,進行有效的統計描述和數值模擬,海上探測應用中的觀測參數主要包括海面風、溫、濕、壓、海流與波浪等。

圖10 海上北部中尺度過程統計特征Fig.10 Statistical characteristics of mesoscale processes in the northern of the sea

4.1.1 海氣界面快速機動組網觀測網絡架構

海氣界面快速機動組網觀測網絡示意如圖11所示,該觀測網絡包括多臺觀測設備,如暖流浮標、拋棄式探空儀和無人機(艇)等,通過多智能快速組網算法進行聯合觀測。在觀測任務開始前,需要根據具體的觀測需求和海洋環境條件,確定合適的觀測設備和路線,并進行目標分配和資源調度。

圖11 海氣界面快速機動組網觀測網絡示意Fig.11 Ocean-atmosphere interface fast mobile networking observation network

各個觀測設備分別完成觀測任務并采集數據,通過數據傳輸和處理,最終生成全局的海氣界面資料。其中,海上浮標可以對海洋暖渦、表層流場等進行連續觀測;船載測量設備可以對海水溫度、鹽度和流速等參數進行高時空分辨率的采集;無人機則可以提供高空間分辨率的影像數據,幫助研究人員更好地了解海氣界面的形態和變化。

與傳統的觀測方法不同,海氣界面快速機動組網觀測網絡具有機動性和靈活性,可以根據實時的環境變化,調整采集路線和觀測設備,盡可能提高觀測效率和準確性,從而實現對海氣界面快速、全面的觀測和預測。該觀測網絡的成功應用為海洋環境研究和保護提供了有力的技術支持。

4.1.2 無人系統機動組網通信實現

在海氣界面快速機動組網觀測網絡中,通信組網是實現各個觀測設備之間數據傳輸和信息交換的關鍵技術之一,遠距離通信組網中各設備間的數據鏈路如圖12所示。為了實現海上自主接入快速組網和數據自動傳輸技術,提出一種基于任務協同觀測的多智能體快速組網算法,對無人系統海洋自組網技術的實現主要包括任務層、數據層、組網層、傳輸層以及感知層的技術研究。

圖12 遠距離通信組網Fig.12 Long-distance communication network

通信組網的研究方案主要包括:

① 通信技術選擇:針對不同的觀測設備和應用需求,需要選擇合適的通信技術。例如海上浮標可以采用衛星通信或VHF無線電通信,船載測量設備可以采用激光通信或藍牙通信,無人機則可以采用4G或5G通信等。

② 通信協議制定:采用基于AIS通信協議、樹形分層拓撲結構和任務的多種簇首算法,完成數據鏈路的傳輸,實現各個觀測設備之間的互聯互通。

③ 網絡拓撲結構設計:針對特定的觀測任務和環境條件,設計mesh網絡拓撲結構,以實現快速組網和數據傳輸。

④ 數據傳輸和處理:采用大數據組件的Lambda架構對數據交互、分析與存儲,實現數據層的數據管理[21]。

基于任務協同觀測的多智能體快速組網方案如圖13所示。

圖13 基于任務協同觀測的多智能體快速組網方案Fig.13 Fast multi-agent networking scheme based on task collaborative observation

通信組網可以幫助各個觀測設備進行聯合觀測和數據共享,從而加強設備之間的協作和提高數據傳輸效率,提高整個觀測網絡的效率和準確性,為海洋觀測和監測系統的開發和應用提供重要的技術支持。

4.2 應用與測試

4.2.1 開發新一代異構多智能體快速機動協同組網海氣界面觀測系統

自主開發了多智能體協同控制平臺,包括無人機、無人艇和波浪滑翔器等,實現了平臺間的多模通信組網數據接口、控制單元和數據傳輸處理硬件及軟件的協同操作。使得不同智能體平臺之間可以自主地進行協同組網,并且能夠自動變換拓撲結構,實現海上獨立快速移動智能體多模異構自主組網,創造了新的海氣界面觀測模式。在上海金山近海實驗基地對異構多智能體快速機動組網觀測系統進行了全面測試和驗證,其各項性能和指標均達到了海上極端環境下的使用要求。

多智能體機動協同組網觀測系統測試如圖14所示。

圖14 多智能體機動協同組網觀測系統測試Fig.15 Multi-agent mobile collaborative networking observation system test

新一代異構多智能體快速機動協同組網海氣界面觀測系統已經在多個實際場景下得到了應用測試,包括海洋和大氣環境的監測、海洋生態系統的研究、氣象和海洋災害預警等方面。

該系統通過多種傳感器收集海溫、海流和壓力等數據,實現了對海洋環境變化的實時監測和分析,在海洋環境監測、氣象災害預警和海上交通中有廣泛的應用,提供了更準確的數據支持。在海洋、氣象、環境等多個領域都有著巨大的潛力和應用價值。

4.2.2 組網觀測應用示范現場——多智能體暖渦觀測

暖渦是指在海面上形成的水溫比周圍海域高的區域,通常由暖流或洋流帶來的海水運動或者由氣流和地形導致的地形匯聚所形成。暖渦對海洋環境、海洋生態系統和海洋物理過程有著重要的影響,因此進行暖渦觀測對于研究海洋環境變化具有重要意義。

多智能體暖渦觀測是利用多個智能體平臺(如無人機、無人艇和波浪滑翔器等)協同作業,對目標區域的暖渦進行高效、全面的觀測。如圖15所示,這些智能體平臺配備了溫度傳感器、水流速度與方向傳感器等多種觀測設備,可以同時對多個參數進行實時監測記錄,并將數據傳輸到組網中心站點進行處理和分析。

圖15 多智能體暖渦觀測應用情況Fig.15 Application of multi-agent warm eddy observation

實驗結果表明,該系統能夠實現快速響應、自適應控制和高效協作。利用提出的多智能體協同編隊控制策略,實現了設備之間的協同與協作以及海洋數據的高效采集和處理,其在復雜極端環境下無人系統智能探測平臺主要技術參數對比如表1所示。

表1 復雜極端環境下無人系統智能探測平臺主要技術參數對比Tab.1 Comparison of main technical parameters of unmanned system intelligent detection platform in complex extreme environment

無人系統智能探測平臺采用混合式傳感融合物體識別、自適應通信組網等多種先進技術,還應用于港珠澳大橋海底隧道健康監測系統等場景,并取得了顯著的成果,展現出重要的實際應用價值。

5 結束語

本文重點介紹了在海上探測示范應用中實現的無人系統機動組網與智能控制技術,以及其在海洋環境復雜多變的情況下所面臨的挑戰和應對方案。這些技術的成功應用,不僅推進了海洋科學的前沿研究,也為我國在海上資源開發和保護、海上安全等方面提供了強有力的支持。未來將繼續深化相關技術的研究和應用,以更好地服務國家海洋事業的需求和社會發展。