近年来，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所余道洋博士主持研制出多种功能的智能保洁水面机器人，并在此基础上，联合研究院技术创新院孵化的创业公司（安徽中科合鼎科技发展有限公司），成功研制了无人控制的智能保洁子母船装置及系统，实现了水面保洁子母船系统的无人化、自动化和智能化，显著提高了工作效率、减少了人工和成本。
据统计，国内每年水面漂浮物及垃圾总量超过2亿吨，城市公园和河道总量达数百万，然而多数水面保洁还停留在手划船、手工打捞的粗放作业阶段。少数经济发达地区采用了部分半自动保洁船舶提高水面保洁作业效率，但对于较宽的河面仍然存在作业面积覆盖较小等问题。近期，国内某公司研制了长臂型水面保洁船，通过2艘小船牵引大船形成宽度达到30米的拦污栅，显著扩大了作业面积，但是2艘小船和1艘大船都需要分别独立操作，存在操作流程复杂、3艘船难以协同控制、作业不连续、航行速度慢等缺点。
固体所研究团队研制的无人控制的智能保洁子母船装置由1艘母船和2艘子船组成，子母船协同作业时可扩展作业面积超过30米。为解决3艘独立的船体自主协同作业（特别是在无人控制模式下）的关键技术问题，研究团队提出针对多目标协同的自适应PID控制方法及几何逼近算法，分别研究了子船自主控制、子母船协同的规划路线逼近、溜边逼近、自主巡航和障碍规避模式和方法，实现了水面保洁子母船系统的无人化、自动化和智能化。该研究成果的关键技术如下：
1、多机通信自组网技术：子母船自组网通信技术是编队巡航、态势共享、路径规划的基础。在城市河道复杂的环境下，要实现稳定、高效、实时、可靠的信息传输，需要建立具有动态拓扑结构的通信自组网通信系统。本项目在母船与子船之间通过近距离WIFI、Zigbee、4G/5G或电缆进行交互通信，通过研究多模通信的异构融合和网络节点失效重连技术，实现子母船编队、云平台之间的可靠通信和数据传输。
2、协同态势感知技术：子母船分别安装了毫米波雷达、激光雷达、光学摄像机、组合导航模块、姿态传感器等水面环境态势感知模块，充分利用分布式感知数据的交互共享及异构融合，从而使子母船编队具有更大的感知范围、更高的感知精度和更快的感知速度。
3、协同控制与编队管理技术：子母船编队的协同控制包括无人模式下操纵多机的技术，以及在有人/无人结合控制模式中充分消除控制冲突，避免自主算法与人为干预之间形成死锁。同时编队中个体可以实时地根据编队状态、自身承担的目标任务、自身的运动特性等，在跟随编队的过程中自适应调整姿态，调整位置，处理避障，维持队形。
该项目研制的子母船在实际作业时，可开启河道逼近、河道中央行驶、河道靠边单侧逼近驶、自主巡航等作业模式，上述作业模式可根据场景自由切换。为保障航行安全，无人作业的完整协同决策和控制模型包含了传感器信息采集、信息处理、评估碰撞风险、开始避让行动、恢复行使、有效性检测和应急措施等。所有的作业模式均以母船为核心，在遵守一般航行原则和国际海上避碰规则(COLREGS)的前提下，团队还开发了基于碰撞风险系数(collision risk index, CRI)的动态避障决策系统。避障模式下，子母船会根据相遇的情况（即会面、交叉、超车），采取合理的避免碰撞措施，如超车、跟随、减速、停泊等，进而确保子母船编队在受到水流、风力和纵向牵引力综合扰动下仍能保持编队 的整体队形和各自位置。
与传统方法相比，该项目研制的无人子母船显著提高了作业效率、作业速度和作业安全性，为水面保洁行业的无人化、自动化和智能化升级换代提供技术。据引擎搜索和文献调研结果显示，目前国内外尚无水面保洁无人子母船的相关技术和产品。上述研究成果已发表在《控制工程》 ( 28(1):2185-2192(2021))杂志上，授权和申请多项专利：《一种水面垃圾清洁方法》（ ZL202011500949X），《一种无人舰艇控制系统及自动巡航控制方法》（ CN202110127900.2），《一种用于打捞水面垃圾无人船的控制方法》（ CN202011495363.9），《一种水面保洁子母船》（ ZL2020230852815），《一种用于打捞水面垃圾的子母船》（ ZL202023082330X），《一种船舶双模控制的转换系统》（ ZL2021207948636）。产品已经在深圳、苏州等地投入实际使用。
图1. 无人控制的智能保洁子母船实际作业。
图2. 水面保洁子母船协同控制系统。