基于约束的多无人潜水器（Multi-USV）覆盖路径生成方法，用于水环境监测

《IEEE Transactions on Control Systems Technology》：Constraint-Driven Multi-USV Coverage Path Generation for Aquatic Environmental Monitoring

水生环境监测中无人水面舰艇（USVs）通过实时反馈生成圆形或椭圆形采样路径，提升数据采集效率。研究提出基于持续覆盖控制的新型在线路径生成问题，转化为约束规格化成本最小化模型，降低因转向方向二进制变量组合导致的计算复杂度，并通过仿真与多USV平台实验验证效果。

　　

摘要：

在本文中，我们探讨了使用无人水面航行器（USVs）进行水环境监测的方法。具体而言，我们开发了一种在线路径生成器，该生成器可以根据实时反馈生成圆形或椭圆形路径，从而使USVs能够高效地采集指定水环境中的传感器数据。为此，我们首先针对一组Dubins航行器提出了一个新的在线路径生成问题，该问题以基于持续覆盖控制的概念来表述成本最小化目标。随后，我们将成本最小化问题转化为基于约束的规范，以确保达到预定的性能水平。接着，我们基于这种所谓的基于约束的控制方法设计了一种在线覆盖路径生成器，以满足性能要求以及路径参数中固有的其他约束条件。此外，我们还证明了所提出的基于约束的方法能够显著降低由于USVs转向方向对应的二进制变量组合而产生的计算复杂度。最后，通过在多个USVs组成的真实测试平台上进行仿真和实验，验证了该覆盖路径生成器的有效性。

引言

使用配备外部传感器的无人水面航行器（USVs）或水下航行器进行水环境监测，在需要监测多种类型变量的应用中具有重要意义[1]。相关文献中包含了多种示例，例如通过在海底进行近底磁测来估计熔岩喷发的厚度[2]、通过测量叶绿素密度来检测富含浮游生物的水域[3]、检测污染源[4]，以及生成感兴趣的环境变量（如pH值、温度、溶解氧、浊度等）的地图[5]、[6]。另请参阅[7]，其中详细介绍了包括监测多种物理、生物化学和生态系统特征在内的海洋环境应用。