行业领域

新一代信息技术产业

需求背景

在智慧海洋、智慧水利、智能航运快速发展的大背景下，水面无人艇已经成为水域环境监测、河道巡检、海面搜救、港口安防、水下地形测绘、污染源排查等无人化作业的核心智能装备。传统水域作业多依靠单艘无人艇独立航行作业，虽然可以完成基础巡航任务，但在大面积水域全覆盖监测、大范围搜索搜救、多点同步采样、长距离航道巡查等复杂任务中，单艇作业存在覆盖范围有限、作业效率低、任务容错性差、无法并行作业等明显短板。面对目前越来越规模化、精细化、全覆盖式的水域治理需求，仅依靠单体无人艇已经难以满足现代化智能水域作业标准。

随着无人系统集群技术的快速迭代，多水面无人艇协同编队技术成为解决大面积、高难度、高可靠水域作业的关键突破口。多艇编队通过多设备组网协同、统一队形约束、分布式运动控制，能够实现大范围水域并行探测、分区巡检、同步采样和协同追踪，相比单艇作业具备作业面积大、任务效率高、冗余容错强、抗故障能力好等显著优势，可有效弥补单体无人艇作业能力不足、探测盲区大、作业周期长的缺陷。目前国内外海洋勘探、内河智慧治理、海事安防领域，均已逐步从“单艇智能化”转向“多艇集群智能化”发展，编队协同控制已经成为无人艇领域的主流研究方向。

然而，真实水域环境存在风、浪、流持续扰动，水体动力干扰随机性强，无人艇航行过程中极易出现偏航、漂移、姿态震荡。同时多艇集群工作时，存在无线通信延迟、信号丢包、带宽受限、数据异步等通信问题，导致各艇位置信息、速度信息更新不同步，极易出现队形扭曲、队形溃散、艇间距离失控甚至相互碰撞的风险。现有多数编队算法多基于理想无风无扰、通信完美、模型精准的仿真环境设计，在真实复杂水域工况下适配性差，难以兼顾队形保持精度、动态避障、抗外界扰动和通信不稳定等多重问题。

此外，市面上多数编队方案队形单一、切换僵硬，无法根据障碍物分布、任务区域形状、搜索范围大小自适应切换直线、三角、矩形、扇形等不同作业队形，难以满足巡检、搜救、围捕、测绘等多样化任务需求。同时现有编队控制策略多为集中式控制，依赖领航艇或上位机统一调度，一旦领航设备故障、通信中断，整个编队直接瘫痪，系统鲁棒性与工程实用性较差。

因此，研究一套抗干扰、低延迟、高稳定、可自适应队形变换的多水面无人艇协同编队控制方法，解决复杂水域下队形保持差、通信异步干扰、队形切换不灵活、集群容错弱等工程痛点，能够显著提升无人艇集群作业智能化水平，为大面积水域智能巡检、环境监测、海上安防提供可靠技术支撑，具备重要的工程应用价值与学术研究意义

需解决的主要技术难题

多水面无人艇协同编队自主航行核心问题，结合真实水域风浪扰动、通信不稳定、动态障碍干扰、多艇耦合运动等复杂工况，需要重点攻克以下多项关键技术难题，是当前编队控制工程落地的核心瓶颈。

第一，复杂水动力扰动下高精度队形保持难题。水面无人艇属于欠驱动运动载体，受风浪、水流、涌浪持续干扰，艇体易产生横摇、艏摇、横向漂移，单艇轨迹持续偏移预设航线。传统编队控制算法未充分考虑实时水动力扰动，依赖理想运动模型，导致多艇编队航行时出现队形拉伸、错位、间距忽大忽小、整体扭曲等问题，高速航行或风浪天气下队形溃散现象严重，难以保证稳定、高精度的队形保持效果。

第二，无线通信延迟、丢包、异步导致的编队失稳难题。多艇编队依赖无线组网实现位置、速度、姿态信息交互，但水域环境存在信号遮挡、电磁干扰、远距离衰减，普遍存在数据传输延迟、随机丢包、多艇信息不同步问题。集中式编队控制对通信质量依赖性极强，一旦数据更新滞后，跟随艇跟踪指令滞后，会出现超前、滞后、摆动、队形震荡，严重时引发艇间碰撞、编队解体，是工程落地最常见、最难解决的技术难点。

第三，动态障碍环境下队形避障与队形重构耦合难题。现有多数研究将单艇避障与编队保持分开设计，遇到障碍物时仅单艇独立绕障，忽略整体队形约束，导致绕障后队形彻底打乱，需要长时间重新集结重构，作业连续性极差。同时多艇密集编队场景下，既要规避外部水域障碍物，又要保证艇间安全距离，内外双重避障约束相互耦合，常规算法无法平衡安全性和队形完整性，极易出现避障失败或队形完全溃散。

第四，多艇协同队形自适应变换与平滑切换难题。不同水域任务需要对应不同编队构型，扇形适合大范围搜索、矩形适合区域扫描、直线适合航道巡检、三角适合稳定巡航。传统编队控制队形固定，切换方式生硬、突变式切换，会导致各艇速度、角度突变，引发船体震荡、轨迹跳动，能耗升高、稳定性下降。目前缺少能够根据任务需求、障碍环境、区域范围自动平滑切换队形的自适应控制策略。

第五，集群容错与故障自愈控制难题。传统集中式编队架构过度依赖领航艇，若领航艇故障、断电、失联，整个编队直接停止工作或无序飘散，系统容错能力差。真实作业场景存在设备故障、传感器失效、单艇失联等突发情况，如何实现分布式协同控制、领航权自主切换、故障艇隔离、剩余编队快速重构自愈，是提升集群可靠性的关键难题。

第六，多艇运动耦合导致的控制参数难以统一整定难题。多无人艇动力学参数存在个体差异，重量、阻力、响应速度不完全一致，统一控制参数无法适配全部艇体，容易出现部分艇跟踪精准、部分艇持续偏移，整体编队一致性差，参数自适应整定难度大

期望实现的主要技术目标

多水面无人艇协同编队控制存在的队形保持精度低、抗扰能力弱、通信敏感、避障与队形冲突、切换生硬、容错性差等一系列技术痛点，通过优化编队控制算法、改进通信补偿机制、设计自适应队形策略、构建分布式容错架构，最终实现稳定、智能、可工程化部署的多无人艇协同编队系统，具体技术目标如下。

第一，建立适配水域扰动的多艇编队动力学模型与高精度队形保持控制体系。结合无人艇欠驱动运动特性与风浪流干扰模型，优化编队间距控制、航向同步控制、速度协同控制策略，有效抑制水体扰动带来的轨迹偏移与队形震荡。实现直航、转向、变速航行状态下，编队各艇间距误差、航向误差控制在极小范围，显著提升复杂水域队形保持精度，解决传统算法风浪环境下队形溃散问题。

第二，设计抗通信干扰的延迟补偿与数据同步机制。针对水域无线通信延迟、丢包、异步问题，构建信息预测补偿算法，对缺失、滞后的艇位数据进行实时修正，弱化编队对通信质量的依赖。实现弱通信、短时断连场景下编队依然可以稳定航行，大幅提升恶劣通信环境下编队稳定性，解决因通信波动导致的队形抖动、跟踪滞后问题。

第三，实现动态障碍下“先避障、后重构”的一体化协同策略。打破单艇独立避障的传统模式，设计编队整体避障+局部微调+快速队形重构协同逻辑。遇到静态障碍物、动态航行船只、漂浮杂物时，编队整体平滑绕障，局部艇体小幅微调，绕障完成后自动快速恢复标准队形，兼顾航行安全性与编队完整性，保障巡检、搜索任务连续不中断。

第四，实现多场景自适应队形智能切换与平滑过渡。构建任务驱动式队形切换规则，根据水域搜索、航道巡检、区域测绘、目标围捕不同任务，自动切换直线、三角、矩形、扇形等最优队形。实现队形之间无冲击、无抖动、平滑过渡，避免速度突变、角度突变带来的船体震荡与轨迹跳动，提升编队航行平稳性与作业适配性。

第五，搭建分布式容错编队架构，实现集群故障自愈功能。摒弃传统单一领航依赖模式，设计分布式协同控制策略，支持多艇动态领航、自主权切换。当任意单艇故障、失联、停机时，系统可自动识别故障设备、隔离失效单元，剩余无人艇快速完成队形重构，保证整体任务不中断，大幅提升无人艇集群的稳定性、容错性与工程可靠性。

第六，完成算法轻量化、仿真对比与工况验证。对编队控制算法进行逻辑精简、参数优化、轻量化处理，保证算法低延时、高实时性，适配嵌入式无人艇硬件部署。搭建多工况仿真环境，分别模拟开阔水域、狭窄河道、风浪干扰、动态障碍、弱通信等场景，完成改进算法与传统算法的全方位对比验证，证明本算法在队形精度、抗扰性、稳定性、容错性、适应性方面均具备明显优势。

第七，形成一套完整可复用的多无人艇协同编队控制方案。输出成型的控制策略、队形切换规则、通信补偿机制与容错控制逻辑，可直接应用于内河巡检、水质监测、海面安防、水域搜救等工程场景，为无人艇集群智能化作业提供成熟的技术参考