H-SPAR：耦合粒子输运与 USV 水动力效应的自主采样仿真框架
H-SPAR 是预印本提出的开源水动力感知仿真框架，在同一环境流场下联合模拟 USV 闭环执行、拉格朗日粒子输运和概率采样。路径规划实验显示，SVF-RRT* 在规划阶段的上游成本比 RRT* 低 69.4%，但在时变流场执行时该优势降至 41.7%；覆盖实验中清扫方向使粒子采样率最大相差 22.2%。这一结果表明，评估海洋采样任务必须同时考虑规划、执行、粒子输运与采样。
如何在一套仿真框架中联合评估水流对 USV 运动与对粒子输运的双重影响，以支持自主海洋粒子采样策略的设计与验证？
现有海洋机器人仿真器通常将流场、自主导航和采样目标分开建模，缺少共享高分辨率速度场，无法在一致水动力条件下同时评估任务成本与采样性能；规划器多用点质量抽象，忽视刚体水动力；覆盖规划常假设均匀流场。因此难以暴露规划与执行间的偏差。
此前，VF-RRT、SVF-RRT 等矢量场规划器基于点质量模型做路径优化，不考虑 USV 刚体动力学；DAVE、VRX、MOOS-IvP、MARUS、UNav-Sim 等仿真平台虽支持海流或扰动建模，但不提供求解器导出的精细时空流场、拉格朗日粒子输运和概率采样联合仿真。
H-SPAR 使用由浅水方程求解器预计算的非结构网格时空速度场作为共享输入，在 ROS 2 后端与 Gazebo 前端之间同步驱动两件事：根据 USV 位姿和本地流速计算二次阻力与力矩，并在 Gazebo 中作用于双体船模型；同一流场插值到每个粒子位置进行拉格朗日平流（可选随机扩散）。粒子采样采用基于粒子与机器人相对速度的高斯捕获概率模型。路径规划支持 RRT*、VF-RRT*、SVF-RRT*，执行使用 DWA，采用 KD-tree 空间索引和单向耦合假设。
所有结果为仿真数据，论文未报告真机试验或重复次数。实验一：在相同静态代价图和 DWA 执行框架下，规划阶段 RRT* 路径长 348.2 m、上游成本 1238.98；SVF-RRT* 路径长 408.2 m、上游成本 379.49，比 RRT* 低 69.4%。在原始时变流场执行时，三者的执行上游成本分别为 1312.8、1054.2、765.2，SVF-RRT* 相对 RRT* 的优势降至 41.7%；轨迹长度分别为 392.946、483.7、546.7 m，执行时间分别为 1127.0、1651.5、1349.1 s，平均偏差分别为 2.82、5.6、6.7 m。在时均流场下，执行上游成本分别为 1401.27、789.55、486.55，SVF-RRT* 恢复更低成本。实验二：采用牛耕式覆盖，每 10 s 释放 100 个粒子，测试 0°、45°、90° 三个清扫方向，在六个消融配置中比较。完整 H-SPAR 配置下（H-SPAR 流场、概率采样和流体动力力矩），采样率为 0° 0.11、45° 0.09、90° 0.10，最高相对最低高 22.2%。
作者承认：采用单向耦合假设，未解析尾流、螺旋桨冲刷和车辆诱导扰动；使用深度平均浅水方程，忽略垂向分布、分层和三维湍流；尚未用物理实验或实地数据验证粒子输运和车辆漂移。本文仅报告仿真结果，试验重复次数未见说明，且仅在有限流场与单一双体船模型上评估。未来工作包括真机验证、三维动态流场和更高保真传感模型。
H-SPAR 可服务于海洋环境监测、溢油/微塑料/有害藻华采样、USV 自主导航算法开发与测试。开源代码允许仿真团队现在用于算法对比和任务预演；1至3年内若完成物理验证与特定船型参数标定，可进入海洋机器人公司、环保机构或港口/海上风电运营商的数字孪生流程；3年以上需实时动态流场和传感器模型才能支持真实现场作业。前提是获得现场流场数据、验证粒子输运与采样概率模型，并确定拖曳系数与采样泵参数。
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