水下无人航行器的研究现状与展望

水下无人航行器的研究现状与展望

宋光1, ,肖广峰2

1山西汾西重工有限责任公司

2 山西汾西重工有限责任公司

摘要：随着新兴科学技术的日新月异，海洋探索及装备的发展已经被越来越多的国家所重视，水下无人航行器逐渐崭露头角，是人类认识海洋、开发利用海洋的主要工具之一。针对不同军事及民事应用场景，每种UUV都有一种或数种特定的用途，UUV种类众多，例如水下搜救侦查、海洋环境测量、海底资源勘探、水下远程运输、水下防御攻击等用途。美国是世界上水下无人航行器发展最全面、最成熟的国家，主要应用及科研阶段的有远程水文勘测潜器，中小型反水雷航行器，以小型、中型、大型和超大型为发展序列的各型水下无人航行器等。

关键词：水下；无人航行器；现状；展望

引言

水下无人航行器作为探索海洋的关键设备，已经广泛用于水下搜救、勘测及海洋生物监测等军事和民用领域任务。智能避碰系统是保证水下无人航行器安全航行、高效作业的核心系统，通过处理和反馈水下环境信息辅助水下无人航行器自主控制和作业。

1水下无人航行器的分类

每类UUV都有一种或数种特定的用途。对不同的用途，UUV的设计和技术指标都有一定的针对性。UUV按体积可分为便携型、轻型、重型和巨型几大类。其中，便携型和轻型主要用于港口、航道和近海浅海的防务与调查等等。重型和巨型由于航程大和载重量大等优点可以用于远海深海的调查等。对于用作海洋声学调查的UUV，要求其具有较高的姿态角、姿态角速度、位置、航速等控制精度，并且还要兼顾稳定性与机动性。同时，还要求该类UUV对各类声学设备有较强的搭载能力，较强的声学图像处理和后处理能力，一定的目标自主判读能力和高速大宽带通信能力等等。ROV在UUV中属于比较特殊的一类，下面重点介绍ROV系统的组成和分类。ROV系统主要包括水面和水下两个主体单元。水面单元包括绞车和集控操作台(一般为一个集装箱)，水下单元就是ROV机器人。水面单元与水下单元通过电缆或光缆连接，水面部分可以向ROV发送控制指令、导航定位信息等。而ROV可以向水面单元反馈自身状态，水下探测的图像信息等。由于ROV可以接收水面单元发送的导航定位信息，所以ROV通常搭载低成本的微机光电(MEMS,micro-electro-mechanicalsystems)惯性导航装置，而AUV由于没有水面单元进行辅助导航，一般搭载高精度的光纤或激光惯性导航装置。ROV系统由于有人参与控制、通信与水下图像判别等，所以可以执行更加复杂、艰巨的水下作业任务。这是相比AUV的一个较明显的优势。当然，相对AUV的劣势就是活动范围受缆长等因素的限制。ROV可以分为三种形式：底部爬行式、中水层浮游式以及混合式。（1）底部爬行式：只能在海底作爬行，它的设计总是为某一个特定的工作而设计的，而不是为一个笼统的目的，早期主要用来进行海底挖沟，掩埋管道、电缆等。（2）中层浮游式：可通过电缆给潜水器提供动力及控制信号，潜水器只能在水中进行前后左右上下运动，同时可以向左或向右旋转。这种ROV作业任务广泛。（3）混合式：这种系统仍然是靠水面提供能源并提供控制，推动力是从轮子、轨道或者拖拉撞击某一个结构来获取的。

2发展现状

现阶段，美国军用水下无人航行器以小型、中型、大型和超大型为发展序列，其中大型、超大型无人航行器尚处于研制验证阶段，未来将重点拓展作战能力、探索作战形式；中小型无人航行器已完成MK18系列中小型反水雷航行器、“刀鱼”中型反水雷航行器、LBS-G中型战场感知水下滑翔机等装备的列装，具备反水雷、情报监视侦察、海洋环境探测等实际作战能力，未来将进一步提升作战效能。超大型航行器方面以“虎鲸”超大型无人航行器为发展重点，2019年美海军正式启动5艘“虎鲸”研制建造计划，以美国波音公司“回声-航行者”型超大型无人航行器为基础进行研制，该型航行器2017年开始初次海试，长16m，重50t，潜深3300m，采用混合式可充电电力系统，续航力6个月，并装配长达10.2m的模块化有效载重舱，主要用于执行情报监视侦察、反水雷、打击任务，全部5具将至2022年完成交付。大型航行器方面以“蛇头”大型航行器为发展重点，2016年海军研究办公室完成900～1100 n mile长航时试验，排水量约10t，直径约1.5m，续航30d或更长，计划能够由“弗吉尼亚”级潜艇改装的导弹发射筒发射。2017年美海军正式启动2具“蛇头”大型航行器原型样机研制，计划2021年完成下水，2025年前达到全速生产；中型航行器方面，2020年发布中型航行器发展需求，计划研发兼具水面与水下鱼雷管布放回收、反水雷与海洋环境感知能力的新型中型航行器；小型航行器方面以Remus 300型航行器为原型，开展下一代小型航行器研制论证工作。

3水下无人航行器的发展展望

UUV的控制技术发展需要提高其自学习和自适应性能力，从而满足在复杂水下环境中遂行任务的需求。从控制技术研究现状来看，单个UUV控制技术发展较为成熟，并进行了大量的仿真及实验。UUV编队控制技术发展相对较晚，无论是控制技术理论还是相关的仿真及实验均有很大的发展空间。随着计算机等相关技术的发展，UUV的控制技术也得到了较大的发展，其发展主要趋势有以下几点。（1）仿生控制方式。模仿鱼在水中的摆动运动可以减小水中的阻力。在仿生机器鱼运动控制研究中，中枢模式发生器（centralpatterngenerator，CPG）方法由于在控制参数改变时仍然能够产生平滑的节律信号，因而得到了比较广泛的应用。通过仿生鱼技术的引入，UUV控制将可能更加高效、稳定。同时在UUV外形设计方面，仿生外形的设计可以提高机动性和安全性。（2）异构UUV编队控制。目前UUV编队研究大多采用基于同构UUV系统，即编队中所有的UUV均具有相同的动力学模型、性能参数、智能化程度，甚至执行任务也相同。相比之下，异构UUV编队系统更贴合实际任务应用，能够避免系统资源的浪费，从而发挥出更大的优势。异构UUV编队在编队通信、协调控制、任务分配等方面存在问题较多，其编队控制技术实现难度较大，是未来的研究方向之一。（3）人工智能技术应用。人工智能技术的发展和进步推动着自动化机器设备在实际生产和生活中的应用。将人工智能技术应用到UUV控制中，可以大幅度提高现有航行器的自主能力和智能化水平。深度学习是最具潜力的人工智能算法，具有强大的非线性表达能力，通过足够多的训练，可以在线学习输入到输出的映射关系。近年来，随着大量新方法的涌现，深度学习网络梯度消失问题得以缓解，同时计算机性能的提高，计算能力大幅度提升。部分研究表明，将深度学习应用于UUV控制是可行的。深度学习在UUV控制技术中的应用也必将是前景开阔的。

结束语

尽管我国已成功研制出多型UUV，但目前尚未形成系列化产品，UUV在国内的应用依然有很大的发展空间。我国拥有300万km2的海洋国土，海岸线长1.8万km，内陆湖泊、重要水库不计其数。若能充分利用各种成熟技术，大力开发UUV，将其大量用于海洋调查开发、重要水道安全巡逻或排障、重要水库大坝监控巡查或检修等领域，不但可以大大降低人员水下作业风险，而且能够取得重大经济效益。UUV的研制将赶上这个时代的浪潮，瞄准新方向不断地创新、突破。UUV势必在我国的海洋研究、海洋工程技术和海洋装备发挥重要的作用。

参考文献

［1］严浙平，周佳加.水下无人航行器控制技术［M］.北京：国防工业出版社，2022：2-19.

［2］钟宏伟.国外无人水下航行器装备与技术现状及展望［J］.水下无人系统学报，2022，25（04）：215-225.

［3］刘洋，孙显鹏，徐超，等.无人水下航行器控制技术的发展［J］.舰船电子工程，2021，39（10）：5-10.