科研前线丨上海交通大学海洋学院哪吒实验室“冲浪算法”荣登机器人领域顶级期刊！

科研动态

“哪吒”在波浪中搜寻合适跨域时机，规避波浪锋芒，借助波浪势头完成跨域，巧妙解决了真实海洋环境中风浪流联合干扰下海空跨域业界难题——这是上海交通大学海洋学院“哪吒”团队的最新研究成果：海空跨域航行器“冲浪算法”。近日，机器人领域国际顶级期刊《IEEE机器人学汇刊》（IEEE Transactions on Robotics）在线发表了这一科研成果“Surfing Algorithm: Agile and Safe Transition Strategy for Hybrid Aerial Underwater Vehicle in Waves”。该论文由上海交通大学海洋学院哪吒实验室独立完成，曾铮副研究员为论文的通讯作者，海洋学院博士生毕鸢博为论文第一作者。

跨域性能是海空两栖航行器的核心特征和技术瓶颈。相比于平静水域，航行器在波浪中的跨域运动会面临更加复杂的挑战，使跨域运动“费时费力”，也给安全性带来了巨大威胁，是制约跨域航行器发展的“硬骨头”。目前国际上针对该问题主要依赖优化控制器性能来抵抗、适应、补偿波浪干扰，“哪吒”团队借鉴“因势利导，顺势而为”思想，跳脱“抵抗”波浪的传统视角并将其提升为“利用”波浪，首创性地提出跨域窗口期的概念和“冲浪算法”的构想，即在波浪中搜寻合适跨域时机（航行器位于波峰且航向顺浪），“顺水推舟”借助波浪势头完成跨域。团队历时两年，完成了对“冲浪算法”从原理分析、数值模拟到水池试验、野外试验的全方位验证。

波浪中的跨域挑战：机体和执行器的时变动力学特性、不健康的初始姿态、环境载荷干扰

冲浪算法部分流程示意

在拖曳水池和野外环境中的测试结果表明，算法能够实时在线感知估计波峰主方向并进行航向更新和机动搜索，对环境噪声有一定的鲁棒性，可以显著提高窗口期的出现频次，准确识别跨域窗口期并做出跨域决策。在算法的工作下，航向在低于5次更新后可以实现收敛，误差小于2度，横摇响应幅度显著降低。当起飞时间小于1秒，冲浪能耗仅为起飞能耗的约17%。姿态角通道的控制量总和平均降低了57%，使推力更多的聚焦于起飞。

规则波模拟与试验

不规则波模拟与试验

不同波浪、航向、位置起飞的对比试验

团队进行了大量对比试验进行统计分析。结果表明，冲浪降低了控制的维度和螺旋桨浸没的不均匀程度，波峰起飞避免了不健康的初始姿态和后续的波浪砰击。与随机起飞相比，平均跨域时间和能耗分别节省了约60%和26%。与试验中最恶劣情况相比的节约程度大幅提升，分别为85%和64%，意味着跨域安全性和成功率得到显著提升。相对静水起飞的基准，时间和能耗的增量明显降低，仅为随机工况的约10%和46%，使跨域运动更加“省时省力”。冲浪算法不需要依赖高精度的惯性导航单元和鲁棒控制器，易于部署和移植。与传统跨域控制策略相比，本文从顺应波浪的视角为跨域技术开辟了一个启发性的崭新研究领域。

本研究得到上海市“科技创新行动计划”社会发展科技攻关项目（20dz1206600），上海市自然科学基金（20ZR1424800）和上海交通大学深蓝计划重点项目（SL2022ZD106）资助。

论文链接：

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