無(wú)人水下航行器的發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)

王童豪,彭星光,潘 光,徐德民,2

(1.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院,西安710072; 2.西北工業(yè)大學(xué)無(wú)人系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略研究中心,西安710072)

無(wú)人水下航行器的發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)

王童豪1,彭星光1,潘 光1,徐德民1,2

(1.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院,西安710072; 2.西北工業(yè)大學(xué)無(wú)人系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略研究中心,西安710072)

無(wú)人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)包括遙控水下航行器(Remotely Operated Vehicle,ROV)和自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV),是海洋科學(xué)研究、資源開(kāi)發(fā)和維護(hù)海洋權(quán)益不可或缺的重要裝備,日益受到世界海洋國(guó)家的高度重視,并競(jìng)相大力發(fā)展。闡述了國(guó)外UUV的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用情況,分析了AUV的關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)。

無(wú)人水下航行器;遙控水下航行器;自主水下航行器

0 引言

海洋是地球表面最大的自然地理單元,擁有地球表面積的70.8%,總水量的97%。從太空中望去,地球是一顆明珠般的藍(lán)色水球。海洋蘊(yùn)藏著巨大的能量和資源,在經(jīng)濟(jì)、政治和軍事上具有舉足輕重的戰(zhàn)略意義,是世界各臨海國(guó)家爭(zhēng)相開(kāi)發(fā)利用的 “藍(lán)色疆土”。近年來(lái),圍繞海洋開(kāi)發(fā)、海洋環(huán)境安全和海洋權(quán)益維護(hù),國(guó)際上展開(kāi)了新一輪的海洋競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)前一輪的海洋競(jìng)爭(zhēng)是以高科技為依托的軍事競(jìng)爭(zhēng)、經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)和科技競(jìng)爭(zhēng),海洋科技水平和創(chuàng)新能力在未來(lái)的海洋競(jìng)爭(zhēng)中將占據(jù)主導(dǎo)地位。我國(guó)近年來(lái)進(jìn)一步提高了對(duì)海洋權(quán)益和海洋資源的重視程度。2012年,黨的十八大報(bào)告明確提出 “提高海洋資源開(kāi)發(fā)能力,發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì),保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境,堅(jiān)決維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益,建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”的戰(zhàn)略部署。2013年,習(xí)近平總書(shū)記強(qiáng)調(diào) “要進(jìn)一步關(guān)心海洋、認(rèn)識(shí)海洋、經(jīng)略海洋,推動(dòng)我國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)不斷取得新成就”。作為海洋開(kāi)發(fā)利用和海洋安全保障的重要技術(shù)手段,無(wú)人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)是建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)不可或缺的裝備,是海洋競(jìng)爭(zhēng)中的有力武器。本文總結(jié)了國(guó)外UUV的發(fā)展現(xiàn)狀,詳細(xì)討論了自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù),并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)做出分析。

1 UUV的發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代以來(lái),世界上約20個(gè)國(guó)家研發(fā)了近200種各種類(lèi)型的UUV,服務(wù)于軍事、海洋工程應(yīng)用和部分軍民兩用領(lǐng)域。

國(guó)際上,以美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、俄羅斯、德國(guó)等國(guó)家為代表的世界各國(guó)都投入了很大力量,進(jìn)行UUV的研發(fā)。美國(guó)海軍于2000年制定了UUV發(fā)展主計(jì)劃(UUV Master Plan),并于2004年對(duì)該計(jì)劃進(jìn)行了修訂。2007年和2013年,美國(guó)國(guó)防部相繼制定了2007—2032無(wú)人系統(tǒng)路線圖(Unmanned Systems Roadmap)和2013—2038無(wú)人系統(tǒng)路線圖,將海陸空三位一體聯(lián)合進(jìn)行協(xié)同發(fā)展。英國(guó)南安普頓國(guó)家海洋中心于2013年宣布,英國(guó)自然環(huán)境研究委員會(huì)在2015年之前投入1000萬(wàn)英鎊用于開(kāi)展海洋機(jī)器人的研究和開(kāi)發(fā)。

20世紀(jì)90年代以來(lái),我國(guó)有關(guān)高校和研究所相繼開(kāi)展了UUV的研發(fā)工作,取得了比較顯著的進(jìn)展和研發(fā)成果,但力量比較分散,至今尚未形成完整、系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)劃,研發(fā)力度和水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有不小的差距,不能完全滿足我國(guó)海洋開(kāi)發(fā)利用和安全保障的需求。

1.1 UUV的分類(lèi)

UUV可在水下自航運(yùn)動(dòng),具有感知能力,通過(guò)遙控或自主方式代替或輔助人力完成某些水下使命和任務(wù),一般分為兩類(lèi):

1)遙控水下航行器(Remotely Operated Vehicle,ROV):需要操作員通過(guò)電纜或聲學(xué)通信系統(tǒng)傳送指令進(jìn)行遙控。

2)自主水下航行器:執(zhí)行任務(wù)時(shí)不需要操作員監(jiān)視和操控。

1.2 ROV發(fā)展現(xiàn)狀

ROV的研制開(kāi)始于20世紀(jì)50年代,80年代發(fā)展到較高水平。其功能多種多樣,在民用方面主要用于海上石油與天然氣等資源開(kāi)發(fā)、港口/水庫(kù)大壩的水下檢查等;在軍用方面主要用于反水雷戰(zhàn) (如水雷探測(cè)、遙控滅雷具)、打撈丟失海底試驗(yàn)武器(如魚(yú)雷)等。ROV的主要特點(diǎn)為:

1)有水面支持系統(tǒng);

2)拖帶線纜;

3)裝載機(jī)械手可水下作業(yè);

4)活動(dòng)空間范圍有限。

1960年美國(guó)海軍研制了世界上第一臺(tái)ROV—CURV,用于打撈丟失在水下的海軍實(shí)驗(yàn)軍械。1966年它在西班牙外海869m深處打撈起一顆失落在海底的氫彈。CURV長(zhǎng)5m,重1400kg,裝有4個(gè)浮筒,搭載攝像機(jī)、探照燈和打撈用的機(jī)械手等。

1995年,日本的ROV“海溝(KAIKO)”號(hào) (圖1)到達(dá)世界上最深的馬里亞納海溝,創(chuàng)下10911米無(wú)人探測(cè)的深度記錄。發(fā)現(xiàn)了沉積巖心,拍到了許多生物照片,獲得了大量的深海考察數(shù)據(jù),對(duì)太平洋地區(qū)地震和海洋生物研究有重要作用。2003年5月,在某次執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中,“海溝”號(hào)由于線纜斷裂丟失。

圖1 “海溝”號(hào)搖控水下航行器[1]Fig.1 The“KAIKO”ROV[1]

“雙鷹(Double Eagle)”ROV由瑞典SAAB公司研制,第一代于1984年在瑞典海軍服役,至今已發(fā)展了四代,并相繼被丹麥、荷蘭及澳大利亞等國(guó)家的海軍裝備,用于清除水雷。其最新型號(hào)自身質(zhì)量為530kg,最高航速6節(jié),可在500m深處作業(yè)。它由7個(gè)無(wú)刷電機(jī)作為主要?jiǎng)恿?lái)源,可在6個(gè)自由度上運(yùn)動(dòng)。

隨著各國(guó)對(duì)海洋工程相關(guān)領(lǐng)域的不斷重視, ROV的研發(fā)水平和規(guī)模也在蓬勃發(fā)展,取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。其中具有代表性的生產(chǎn)廠家有美國(guó)Oceaneering公司,英國(guó)Seaeye公司和加拿大的Seamor航海公司等,如圖2所示。

圖2 典型ROVs[2-4]Fig.2 Typical ROVs[2-4]

1.3 AUV發(fā)展現(xiàn)狀

AUV無(wú)人、無(wú)纜,完全自主航行,是代表UUV發(fā)展方向的高新技術(shù),是發(fā)達(dá)國(guó)家海軍和海洋技術(shù)研究發(fā)展的熱點(diǎn)之一。其主要特點(diǎn)為:

1)自治能力強(qiáng);

2)活動(dòng)空間大;

3)智能化水平高;

4)適應(yīng)能力強(qiáng);

5)實(shí)用性好;

6)隱蔽性好。

美國(guó)作為海洋強(qiáng)國(guó)之一,擁有多個(gè)系列AUV,各自應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution)海洋學(xué)實(shí)驗(yàn)室研制的REMUS系列AUV被用于檢測(cè)海洋環(huán)境狀況、沿海搜索等任務(wù)。

Odyssey I~IV是麻省理工學(xué)院AUV實(shí)驗(yàn)室(MIT AUV Lab)研發(fā)的系列產(chǎn)品。Caribou是一種Odyssey III型AUV,長(zhǎng)2.6m,質(zhì)量約400kg,工作深度為3000m,最大下潛4500m,可代替?zhèn)刹齑瑢?duì)危險(xiǎn)海域進(jìn)行監(jiān)視,也能協(xié)助水面作戰(zhàn)艦艇完成作戰(zhàn)任務(wù)。Odyssey IV(圖3)型繼承了Odyssey II型的流線外形,能量轉(zhuǎn)化率高,機(jī)動(dòng)性好,下潛深度大。

圖3 “Odyssey IV”AUV[5]Fig.3 “Odyssey IV”AUV[5]

英國(guó)南安普敦國(guó)家海洋中心(National Oceanography Centre,Southampton)研制的Autosub AUV配備有聲學(xué)多普勒流速剖面儀、溫鹽深儀、氧含量傳感器、視距測(cè)量計(jì)、熒光計(jì),以及用于航行器控制的測(cè)量位置、姿態(tài)、高度、深度的多種傳感器,是一個(gè)遠(yuǎn)航程、大航深的多用途海洋調(diào)查與監(jiān)視平臺(tái)。

俄羅斯早在20世紀(jì)60年代蘇聯(lián)時(shí)期就開(kāi)始研制AUV,其MT-88長(zhǎng)3.8m,寬1.1m,高1.2m,質(zhì)量1150kg,采用模塊化結(jié)構(gòu),主要用于海洋研究和海洋觀測(cè)[6]。MT-88下潛和上浮通過(guò)采用鑄鐵壓載完成,它攜帶兩個(gè)壓載下潛,到達(dá)指定深度后拋掉其中一個(gè)壓載,任務(wù)完成后拋掉另一個(gè)壓載。

日本的r2D4號(hào)AUV采用鋰離子二次電池,采用慣導(dǎo)+DVL計(jì)程儀的組合導(dǎo)航方式。2007年,r2D4通過(guò)攜帶的側(cè)掃聲納和水下攝像機(jī)等設(shè)備在印度洋海底發(fā)現(xiàn)了世界最大的熔巖平原[7]。

綜上所述,隨著各國(guó)海洋相關(guān)戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)和水下設(shè)備相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展,UUV已成為世界各國(guó)維護(hù)海洋權(quán)益必不可少的裝備,在航程、航深和自主性方面得到了飛速發(fā)展。然而,目前UUV仍無(wú)法執(zhí)行復(fù)雜任務(wù),因此其智能性的發(fā)展成為UUV技術(shù)突破的關(guān)鍵。

2 UUV的主要應(yīng)用

UUV作為一種無(wú)人平臺(tái),在民用和軍用領(lǐng)域都扮演著極其重要的角色。本文從海洋工程和軍事領(lǐng)域兩方面介紹UUV的用途。

2.1 UUV在海洋工程中的應(yīng)用

發(fā)展是人類(lèi)社會(huì)永恒不變的主題。蘊(yùn)藏在海洋和海底豐富的石油、天然氣、可燃冰和各類(lèi)金屬礦石等礦產(chǎn)資源遠(yuǎn)未被充分開(kāi)發(fā)和利用,是未來(lái)人類(lèi)社會(huì)繁榮發(fā)展的重要保障。相比載人潛器和水面船拖曳設(shè)備,使用UUV對(duì)海洋資源進(jìn)行勘探和取樣效率更高,成本更低,使用更方便,工作時(shí)間更長(zhǎng),安全性更加有保障。UUV在海洋工程中的應(yīng)用主要集中在以下方面:

(1)海洋資源勘察

1977年,美國(guó)科學(xué)家首次在2000m深的海底發(fā)現(xiàn)了冒出濃煙般的熱泉,在熱泉 “黑煙囪”周?chē)暮Ｋ?活躍著各類(lèi)生物種群,深海生物基因研究是探究地球生命起源的重要組成部分。近年來(lái),隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展,越來(lái)越多的UUV加入到深海熱泉的探測(cè)與考察的隊(duì)伍中來(lái)。在國(guó)內(nèi),參與深海熱泉探測(cè)任務(wù)的有 “海龍2號(hào)”ROV和“潛龍二號(hào)”AUV。

“CR-01”6000米AUV在1995年和1997年兩次赴南太平洋海域參加中國(guó)大洋協(xié)會(huì)海底資源調(diào)查,進(jìn)行海底多金屬結(jié)核豐度測(cè)量,使我國(guó)被聯(lián)合國(guó)批準(zhǔn)為第5個(gè)深海采礦的先驅(qū)投資者,最終擁有對(duì)礦產(chǎn)資源最豐富的7.5萬(wàn)平方公里海域的優(yōu)先開(kāi)采權(quán)。

(2)水下搜救

2005年8月4日,俄羅斯軍方一艘搭載7名船員的“AS-28”型小型潛艇(圖4)在進(jìn)行例行訓(xùn)練時(shí)撞上漁網(wǎng)無(wú)法上升到海面,在俄羅斯東北部堪察加灣海域深190米的海底擱淺,由英國(guó) “天蝎45”ROV(圖5)剪斷纜繩后成功獲救。2014年4月,在MH-370飛機(jī)殘骸的搜尋過(guò)程中,美國(guó)海軍在可能失事的水域部署了Bluefin-21 AUV (圖6)進(jìn)行深海搜索。同年,美國(guó)兩架ROV還被應(yīng)用到韓國(guó) “歲月號(hào)”客輪的搜救行動(dòng)中。

圖4 俄羅斯“AS-28”型潛艇Fig.4 “AS-28”submarine of Russia

(3)海底打撈

2004年5月,美國(guó)北島海軍航空站的潛艇營(yíng)救隊(duì)在加利福尼亞外海用 “超級(jí)天蝎”號(hào)ROV打撈起了在飛行訓(xùn)練中墜毀的F14-D“雄貓”戰(zhàn)機(jī)的殘骸?！俺?jí)天蝎”號(hào)自身負(fù)重可達(dá)100kg,兩只

圖5 英國(guó)“天蝎45”ROVFig.5 “Scorpio 45”ROV of the U.K.

圖6 “Bluefin-21”AUV[8]Fig.6 “Bluefin-21”AUV[8]

機(jī)械臂最大伸展時(shí)每只可舉起110kg的物體。

此外,UUV還在水文調(diào)查、港口安全、漁業(yè)作業(yè)、科學(xué)取樣、海圖繪制和核電站維護(hù)等領(lǐng)域發(fā)揮著不可取代的作用。

2.2 UUV在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用

根據(jù)美國(guó)海軍公布的UUV總體規(guī)劃,軍用UUV的作戰(zhàn)任務(wù)為:

1)情報(bào)、監(jiān)視、偵察;

2)反水雷戰(zhàn);

3)反潛戰(zhàn);

4)檢查/識(shí)別;

5)海洋調(diào)查;

6)通信/導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn);

7)負(fù)載投送;

8)信息作戰(zhàn);

9)時(shí)敏打擊。

2003年3月,美國(guó)海軍在進(jìn)入伊拉克的烏姆蓋斯?fàn)柛蹠r(shí),利用REMUS 100自主水下航行器(圖7)在強(qiáng)海流和低能見(jiàn)度條件下進(jìn)行反水雷任務(wù),用16h完成了人工21d才能完成的排雷任務(wù),減少了戰(zhàn)術(shù)時(shí)間,將雷區(qū)的威脅降到最低限度。

REMUS 100根據(jù)預(yù)先編制好的航行任務(wù)規(guī)劃,對(duì)大范圍水域進(jìn)行搜索探測(cè)水雷目標(biāo)。航行深度100m,單次執(zhí)行任務(wù)可以航行60nm,在3節(jié)速度下可航行20h,以最大巡航速度5節(jié)航行的航時(shí)可達(dá)8h。

圖7 參與排雷的REMUS 100[9]Fig.7 REMUS 100 with defense application[9]

如圖8所示,近期水雷偵察系統(tǒng)(Near-Term Mine Reconnaissance System,NMRS)是美海軍已裝備的ROV,它由潛艇魚(yú)雷管發(fā)射,由潛艇操作員通過(guò)56km長(zhǎng)的光纜控制,主要完成情報(bào)搜集、監(jiān)視、偵察和水雷的搜索與識(shí)別等任務(wù)。

此外,美國(guó)海軍還為 “洛杉磯”級(jí)攻擊型核潛艇裝備了遠(yuǎn)期水雷偵察系統(tǒng)(Long-Term Mine Reconnaissance System,LMRS)。LMRS是用NMRS系統(tǒng)改進(jìn)的AUV,總長(zhǎng)為6.1m,與母艦之間采用聲信號(hào)通信。LMRS從魚(yú)雷發(fā)射管發(fā)射,可完全自主地在水下對(duì)水雷進(jìn)行搜索,續(xù)航能力超過(guò)40h,每天可搜索的海區(qū)面積為120km2。探雷結(jié)束時(shí),系統(tǒng)可自動(dòng)返回潛艇,由潛艇右舷魚(yú)雷發(fā)射管中的機(jī)械手回收到發(fā)射管中。

圖8 “NMRS”ROVFig.8 “NMRS”ROV

1996年,美國(guó)著手研發(fā)Manta無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái),如圖9所示。根據(jù)其設(shè)計(jì)構(gòu)想,該AUV懸掛在攻擊型核潛艇外部,攜帶魚(yú)雷和超空泡武器,配合母艇完成水下環(huán)境偵察和魚(yú)雷攻擊任務(wù),包括偵察、探測(cè)、攻擊敵潛艇,或探測(cè)水中兵器;還可在兩棲作戰(zhàn)中對(duì)沿海淺水區(qū)隱蔽進(jìn)行探測(cè)、偵察。

3 AUV關(guān)鍵技術(shù)

圖9 “Manta”無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)Fig.9 “Manta”unmanned combat platform

UUV的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是保證UUV順利完成任務(wù)的重要保障,是UUV研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。其中ROV的關(guān)鍵技術(shù)有遙控技術(shù)、通信技術(shù)、動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)、作業(yè)系統(tǒng)及機(jī)械手技術(shù)等;AUV的關(guān)鍵技術(shù)有總體及系統(tǒng)集成技術(shù)、能源及動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)、自主控制與智能化技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)、通信技術(shù)、自主探測(cè)與識(shí)別技術(shù)和布放與回收技術(shù)等。本文主要針對(duì)AUV的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

3.1 總體及系統(tǒng)集成技術(shù)

3.1.1 AUV通用平臺(tái)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)和研發(fā)通用平臺(tái)對(duì)于AUV的發(fā)展和應(yīng)用有著重要的意義。若對(duì)AUV進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化設(shè)計(jì),當(dāng)需要搭載不同任務(wù)載荷執(zhí)行不同任務(wù)時(shí),只需在一種或較少的幾種AUV的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改,即可使之適應(yīng)不同的環(huán)境和任務(wù)指標(biāo)。

1)標(biāo)準(zhǔn)化:AUV平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)化包括航行器構(gòu)型、機(jī)械和電氣接口、元器件、零組件、軟件等的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

2)模塊化:將AUV個(gè)體的功能載荷、導(dǎo)航控制、能源、動(dòng)力推進(jìn)、穩(wěn)定操縱等部分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),如圖10所示。

圖10 REMUS 100模塊化示意圖[9] Fig.10 Modularization of REMUS 100[9]

3)系列化:美國(guó)海軍將AUV劃分為4個(gè)等級(jí)——單兵便攜式(Man-Portable)、輕型(Light Weight Vehicle,LWV)、重型(Heavy Weight Vehicle,HWV)和超大型。其各自總體參數(shù)和性能指標(biāo)如表1所示。

表1 美軍系列AUV參數(shù)_Tab.1 Parameters of the AUV series of the U.S.Army

國(guó)內(nèi)系列AUV的參數(shù)如表2所示。

表2 國(guó)內(nèi)系列AUV參數(shù)Tab.2 Parameters of the AUV series of China

3.1.2 構(gòu)型與材料

1)構(gòu)型:當(dāng)前階段AUV主要以回轉(zhuǎn)型和扁平型為主,新發(fā)展的有仿生型、組合 (捆綁)型等,如圖11所示。

2)材料:目前,AUV頭部常采用復(fù)合橡膠材料,殼體常用鋁合金材料,內(nèi)部結(jié)構(gòu)件大都采用非金屬?gòu)?fù)合材料。近年來(lái)興起的復(fù)合材料具有高比強(qiáng)、高比模、耐高溫、韌性好、抗腐蝕與耐磨損等特性,且密度較小,可以通過(guò)降低水下航行體的質(zhì)量相對(duì)地降低航行能耗,有利于增加航程,已廣泛應(yīng)用于AUV(魚(yú)雷、誘餌、偵察器、靶雷、反魚(yú)雷)等各種軍民用產(chǎn)品上。其中硼/鋁復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、低密度的特性,性能優(yōu)于常用的鋁合金,是一種較為理想的AUV殼體材料。

3.1.3 減阻技術(shù)

圖11 不同構(gòu)型的UUV[10-13]Fig.11 The UUVs with different configuration[10-13]

物體在水中運(yùn)動(dòng)的阻力比在空氣中大800倍,尤其對(duì)于細(xì)長(zhǎng)回轉(zhuǎn)型UUV,摩擦阻力占總阻力的80%以上。因此減小阻力,特別是摩擦阻力,可以節(jié)約能源,增大航程,提高航速。減阻技術(shù)按邊界層與流體接觸表面的彈性大小,可分為剛性表面減阻技術(shù)和柔性表面減阻技術(shù)。剛性表面減阻技術(shù)常使用與流體接觸的表面為剛性的表面減阻材料,或直接在剛性表面處添加有利于減阻的其他介質(zhì),如目前研究比較廣泛的脊?fàn)畋砻鏈p阻技術(shù)、聚合物添加法、低表面能涂料、微氣泡法和隨形波表面法等;柔性表面減阻技術(shù)采用的減阻材料與流體接觸的表面為柔性,具有小的彈性模量和較大的變形能力。柔性表面減阻技術(shù)作為一種近似的仿生研究模型,具有減阻效果明顯、不需要反饋原件和響應(yīng)元件,且不需要額外能量供給等優(yōu)點(diǎn);同時(shí)柔性表面對(duì)邊界層的湍流噪聲有削弱作用,有利于UUV提高隱身能力。

其中,脊?fàn)畋砻鏈p阻技術(shù)從仿生學(xué)角度出發(fā),通過(guò)對(duì)各種魚(yú)類(lèi)表面脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)分布規(guī)律的研究(圖12),提出不同形狀、尺寸脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)在水下航行器上聯(lián)合使用的減阻新方法,可有效減阻10% ~20%,如圖13所示。

此外,UUV的可靠性、安全性、保障性、維護(hù)性、經(jīng)濟(jì)性、隱身性和總體設(shè)計(jì)與評(píng)估技術(shù)等都是總體技術(shù)領(lǐng)域值得研究的問(wèn)題。

3.2 能源及動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)

未來(lái)AUV大深度、遠(yuǎn)航程、長(zhǎng)航時(shí)的設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)AUV的能源與動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)提出了更高的要求:能源系統(tǒng)比能更高、推進(jìn)系統(tǒng)效率更高,使用更為安全和靈活。目前AUV使用的能源與動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)主要有4個(gè)類(lèi)型:電化學(xué)能源動(dòng)力系統(tǒng)、AIP(Air Independent Power)熱動(dòng)力系統(tǒng)、混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)和新型動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)。

圖12 鯊魚(yú)表面脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)分布Fig.12 The riblet structure on the shark skin

圖13 水下航行器脊?fàn)畋砻鏈p阻構(gòu)想Fig.13 The proposed riblet structure on the surface of UUV for drag reduction

3.2.1 電化學(xué)能源動(dòng)力系統(tǒng)

電化學(xué)能源動(dòng)力系統(tǒng)由電池提供能量,驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)推進(jìn)器提供推力。由于電動(dòng)推進(jìn)在能量密度方面有明顯優(yōu)勢(shì),目前的水下航行器主要采用電動(dòng)推進(jìn)。常用的電池有:

1)一次電池,主要有錳干電池系列、堿性電池系列、汞系列、空氣電池、氧化銀電池、海水電池、鋰電池和熱電池等;

2)二次電池,主要有鉛酸電池、鎳鎘、鎳氫電池、銀鋅電池、鋰離子電池、聚合物電池等;

3)燃料電池按電解質(zhì)劃分有5個(gè)主要種類(lèi):堿性燃料電池、磷酸鹽型燃料電池、熔融碳酸鹽型燃料電池、固體氧化物型燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池。燃料電池的電能轉(zhuǎn)化率最高,為45%~60%。

鋁氧化銀電池是當(dāng)今裝備魚(yú)雷的最先進(jìn)動(dòng)力電池之一,法國(guó)SAFT公司研制的鋁氧化銀電池先后應(yīng)用于MU90、Blackshark和F21魚(yú)雷,其性能可以達(dá)到普通鋅銀電池的2倍,比能量可達(dá)160Wh/kg。能量密度大、自放電率低、溫度特性好、可靠性安全性高、壽命長(zhǎng)的電池是滿足AUV日益提高的性能需求的重要技術(shù)途徑。

3.2.2 AIP熱動(dòng)力系統(tǒng)

傳統(tǒng)的AIP熱動(dòng)力系統(tǒng)包括閉式循環(huán)柴油機(jī)系統(tǒng)、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和閉式循環(huán)汽輪機(jī)系統(tǒng),這3種系統(tǒng)發(fā)展較為成熟,已成功應(yīng)用于常規(guī)AIP潛艇。從UUV角度來(lái)講,仍需對(duì)其進(jìn)行小型化、低成本化研究。

3.2.3 混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)

混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)合電動(dòng)力系統(tǒng)和熱動(dòng)力系統(tǒng),充分發(fā)揮其各自的優(yōu)勢(shì):低速巡航時(shí)使用電動(dòng)力,巡航速度為4~5節(jié),航程可達(dá)上千km;高速攻擊時(shí)電動(dòng)力段分離,使用熱動(dòng)力,攻擊速度為50節(jié)以上,航程為40km~50km。

3.2.4 新型動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)

近年來(lái),幾種新型動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)引起了人們的關(guān)注。

1)太陽(yáng)能動(dòng)力系統(tǒng),續(xù)航時(shí)間長(zhǎng),無(wú)產(chǎn)物排放,環(huán)保、安全,但受環(huán)境影響較大。圖14為采用太陽(yáng)能動(dòng)力系統(tǒng)的SAUV II。

圖14 采用太陽(yáng)能動(dòng)力系統(tǒng)的SAUV II[14]Fig.14 The SAUV II utilizing solar energy[14]

2)水下仿生學(xué)特種推進(jìn)技術(shù)包括撲翼推進(jìn)方式、擺尾鰭推進(jìn)方式、波浪推進(jìn)方式等,噪聲低,推進(jìn)效率高。

3)水下超導(dǎo)電磁流體推進(jìn)技術(shù)是一種基于電磁流體力學(xué)原理的新型水下推進(jìn)技術(shù)。采用該技術(shù)的推進(jìn)系統(tǒng)無(wú)運(yùn)動(dòng)部件,不產(chǎn)生推進(jìn)噪聲,所以是一種理想的水下低噪推進(jìn)方式,發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

4)水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)技術(shù)是熱動(dòng)力AUV發(fā)展的方向之一,它直接將液態(tài)水引入燃燒室中,通過(guò)燃燒劑中的金屬粉末和水的劇烈反應(yīng)產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)?以燃?xì)馔ㄟ^(guò)噴管?chē)姵鰰r(shí)產(chǎn)生的反作用力作為動(dòng)力。

5)水下滑翔技術(shù)也是當(dāng)前熱門(mén)的研究方向之一,它通過(guò)液壓或溫差的驅(qū)動(dòng)來(lái)改變重心,促使UUV在垂直面內(nèi)運(yùn)動(dòng),進(jìn)而通過(guò)滑翔翼產(chǎn)生水平方向的動(dòng)力,進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)。美國(guó)華盛頓大學(xué)研制的SeaGlider利用液壓源改變重浮力來(lái)提供動(dòng)力,續(xù)航時(shí)間為180d,航程可達(dá)數(shù)千km,最大下潛深度為1000m,其滑翔路徑如圖15所示。美國(guó)韋伯研究公司(Webb Research Corp.)研制的Slocum Thermal Glider利用海水溫差改變重浮力,進(jìn)而由滑翔翼提供動(dòng)力。

圖15 SeaGlider水下滑翔路徑[15]Fig.15 The underwater path of SeaGlider[15]

3.3 自主控制與智能化技術(shù)

自主智能控制技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)AUV自主性和智能化的核心技術(shù),對(duì)AUV執(zhí)行任務(wù)的能力起著決定性作用,其實(shí)現(xiàn)將大大提高AUV對(duì)復(fù)雜環(huán)境中的適應(yīng)能力和全球海域工作能力。Zhang等[16]指出,AUV作為智能無(wú)人系統(tǒng)的重要領(lǐng)域之一,其自主性和智能化有望在不久的將來(lái)有巨大提升。2017年,“長(zhǎng)航程、智能化自治式潛水器的研制”被國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)列為子課題。為實(shí)現(xiàn)AUV的智能化,應(yīng)主要研究海洋環(huán)境自適應(yīng)控制,智能自主規(guī)劃與決策,智能信息融合,智能容錯(cuò)控制和智能分布式協(xié)作控制。

3.3.1 海洋環(huán)境自適應(yīng)控制

對(duì)AUV來(lái)說(shuō),溫度、鹽度、深度和海流等是重要的海洋環(huán)境參數(shù),它們?cè)诓煌貐^(qū)對(duì)應(yīng)值存在一定差異。要實(shí)現(xiàn)AUV的高效全海域工作,使其在變化的參數(shù)中更快地適應(yīng)新的海洋環(huán)境,更準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)控制策略,保證其穩(wěn)定、可靠運(yùn)行, AUV對(duì)海洋環(huán)境的自適應(yīng)能力至關(guān)重要。尤其對(duì)于執(zhí)行深?？臻g復(fù)雜環(huán)境作業(yè)的AUV,在下潛過(guò)程中鹽度和溫度的變化帶來(lái)AUV浮力的改變,對(duì)AUV的航行狀態(tài)有復(fù)雜的影響。在運(yùn)行條件不斷變化的過(guò)程中,控制AUV的航行姿態(tài)和航向,保證AUV在指定深度的定深航行,實(shí)現(xiàn)AUV對(duì)任務(wù)目標(biāo)的跟蹤和操作,需要更加智能化的海洋環(huán)境自適應(yīng)控制。由于海洋數(shù)據(jù)過(guò)于龐大,人類(lèi)尚無(wú)法完全掌握,因此AUV的海洋環(huán)境自適應(yīng)問(wèn)題亟待解決。

3.3.2 智能自主規(guī)劃與決策

AUV的自主規(guī)劃包括自主任務(wù)規(guī)劃和自主路徑規(guī)劃。自主任務(wù)規(guī)劃是根據(jù)預(yù)先設(shè)定的任務(wù)指令,根據(jù)已知的海洋環(huán)境和自身?xiàng)l件等信息,對(duì)任務(wù)進(jìn)行理解并按一定順序分解完成,從而滿足任務(wù)要求。自主路徑規(guī)劃即AUV根據(jù)所處的環(huán)境,尋求一條路徑連接起始點(diǎn)到終止點(diǎn)且能自主決策避開(kāi)環(huán)境中障礙物的運(yùn)動(dòng)軌跡的過(guò)程,根據(jù)處理方式可分為在線規(guī)劃和離線規(guī)劃,又可根據(jù)環(huán)境信息的完整程度分為全局路徑規(guī)劃、局部路徑規(guī)劃和最基本的避障。在AUV自主規(guī)劃的過(guò)程中,除AUV自身的眾多約束和目標(biāo)的約束外,還要考慮非線性非定常的復(fù)雜環(huán)境,尤其是隨機(jī)因素(隨機(jī)出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)障礙物等)對(duì)AUV任務(wù)和路徑規(guī)劃所帶來(lái)的影響。為更好地應(yīng)對(duì)環(huán)境對(duì)AUV自主規(guī)劃帶來(lái)的負(fù)面影響,國(guó)內(nèi)外研究人員做了大量研究,Zhu等[17]提出了一種基于SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的AUV動(dòng)態(tài)任務(wù)和路徑規(guī)劃方法,可以在洋流干擾下實(shí)現(xiàn)路徑點(diǎn)跟蹤和自主任務(wù)規(guī)劃。Mc Mahon等[18]提出了一種無(wú)碰低功耗自主路徑和任務(wù)規(guī)劃算法,能有效抑制復(fù)雜水下環(huán)境對(duì)AUV工作狀態(tài)的干擾,并通過(guò)在海軍研究實(shí)驗(yàn)室(Naval Research Laboratory)切薩皮克灣的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該算法在某種復(fù)雜任務(wù)條件下的有效性。如何使UUV在復(fù)雜環(huán)境下做出更加智能化的規(guī)劃和決策,在滿足約束條件的情況下通過(guò)增加可接受的計(jì)算量提高任務(wù)效率,實(shí)現(xiàn)多任務(wù)和復(fù)雜任務(wù)的智能規(guī)劃,是未來(lái)相關(guān)學(xué)者的研究重點(diǎn)。

3.3.3 智能信息融合

傳感器作為獲取信息的窗口,對(duì)AUV的自主性和智能化起到關(guān)鍵作用。根據(jù)多傳感器信息進(jìn)行計(jì)算、分析和判斷的過(guò)程即數(shù)據(jù)融合。只有通過(guò)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的融合,控制系統(tǒng)才能對(duì)AUV進(jìn)行合理的決策,采取適當(dāng)?shù)目刂撇呗院托袨? AUV的自主性和智能化才能得以實(shí)現(xiàn)。然而由于體積限制,AUV能攜帶的傳感器數(shù)目十分有限。如何通過(guò)有限的傳感器類(lèi)型和精度獲取并挖掘更多AUV所需的信息是AUV智能信息融合的發(fā)展方向,如通過(guò)單目相機(jī)結(jié)合深度學(xué)習(xí)技術(shù)代替雙目相機(jī)或深度傳感器獲得距離信息[19]。相信在不久的未來(lái),更多的智能信息融合技術(shù)會(huì)涌現(xiàn)出來(lái)。

3.3.4 智能容錯(cuò)控制

AUV在水下自主執(zhí)行任務(wù)時(shí),由于復(fù)雜的水下環(huán)境,部分機(jī)構(gòu)或子系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況時(shí)有發(fā)生。容錯(cuò)控制的目的是在發(fā)生此類(lèi)故障時(shí)保證AUV順利完成任務(wù)或自行返回。因此,容錯(cuò)控制是保障AUV生存及成功完成任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù),也是實(shí)現(xiàn)AUV全球海域工作的重要保障。容錯(cuò)控制初期采用硬件冗余技術(shù),當(dāng)其中一個(gè)或幾個(gè)失效時(shí),可切換使用與之并聯(lián)的備用系統(tǒng)完成后續(xù)任務(wù)。然而,這種措施在提高可靠性的同時(shí),增加了系統(tǒng)的成本,加大了能源消耗。通過(guò)一定的容錯(cuò)控制算法對(duì)故障進(jìn)行定位和診斷,進(jìn)而調(diào)整控制策略是一種理想的方法?，F(xiàn)有容錯(cuò)控制算法尚停留在處理簡(jiǎn)單故障的層面,更加智能、快速、準(zhǔn)確地智能容錯(cuò)控制方法將在未來(lái)AUV領(lǐng)域起到重要作用。

3.3.5 智能協(xié)作控制

多AUV智能協(xié)作系統(tǒng)作為一種高度智能化的AUV工作形式,具有低成本、高效率、強(qiáng)容錯(cuò)性等特點(diǎn),工作形式靈活,可執(zhí)行單AUV無(wú)法完成的復(fù)雜任務(wù),可縮短工作時(shí)間,擴(kuò)大工作范圍,是AUV高自主性和智能化的表現(xiàn)形式之一[19]。多AUV智能協(xié)作系統(tǒng)自20世紀(jì)80年代被提出以來(lái),受到了各國(guó)AUV研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者的高度關(guān)注,并相繼開(kāi)展了相關(guān)技術(shù)研究。2006年,歐盟組織德國(guó)、意大利等國(guó)開(kāi)展了GREX項(xiàng)目 (圖16),旨在研究解決協(xié)同導(dǎo)航、編隊(duì)控制、通信等問(wèn)題的方案。該項(xiàng)目主要進(jìn)行了2次海上試驗(yàn),于2009年結(jié)題,成果豐碩。美國(guó)麻省理工學(xué)院的AUV實(shí)驗(yàn)室于2006年公開(kāi)了其CADRE項(xiàng)目(圖17),通過(guò)Bluefin系列AUV研究了多AUV的協(xié)作探測(cè)與偵查的可行途徑。

圖16 歐盟GREX項(xiàng)目Fig.16 “GREX”project by the EU

圖17 MIT CADRE項(xiàng)目Fig.17 “CADRE”project by MIT

編隊(duì)控制是多AUV智能協(xié)作控制的研究重點(diǎn)之一。合理的AUV編隊(duì)可以更好地利用各AUV的信息資源,保證多AUV之間高效協(xié)作。Cui等[20]提出了一種多欠驅(qū)動(dòng)AUV的主從式編隊(duì)控制方法,從AUV只需根據(jù)主AUV的位置信息和預(yù)先設(shè)定好的隊(duì)形即可完成對(duì)參考軌跡的跟蹤。分布式多AUV協(xié)同控制可降低能源消耗,使各AUV通過(guò)自身獲得的有限信息進(jìn)行動(dòng)作,相互協(xié)作達(dá)到全局目標(biāo),是多AUV智能協(xié)作系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。

隨著無(wú)人系統(tǒng)和人工智能技術(shù)的蓬勃發(fā)展, AUV的能力將進(jìn)一步提高,在海洋資源開(kāi)發(fā)、海洋生態(tài)保護(hù)和海洋安全領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

3.4 導(dǎo)航定位技術(shù)

AUV向長(zhǎng)航時(shí)、遠(yuǎn)航程、大深度、全海域發(fā)展的趨勢(shì)對(duì)導(dǎo)航定位系統(tǒng)的精度提出了更高的要求。水下導(dǎo)航與空中導(dǎo)航相比,具有工作時(shí)間長(zhǎng)、環(huán)境復(fù)雜、信息源少、隱蔽性要求高等特點(diǎn),技術(shù)難度更大,是影響AUV發(fā)展的瓶頸技術(shù)之一。

3.4.1 航位推算與慣性導(dǎo)航技術(shù)

航位推算技術(shù)與慣性導(dǎo)航技術(shù)作為最常用的兩種完全自主導(dǎo)航方法有共同的缺點(diǎn):導(dǎo)航誤差隨時(shí)間累積,一般中等導(dǎo)航精度為1n mile/h。航位推算與慣性導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)有載體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的初始對(duì)準(zhǔn)技術(shù)、新型慣性器件和慣性器件誤差校正技術(shù)。

(1)載體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的初始對(duì)準(zhǔn)技術(shù)

初始對(duì)準(zhǔn)技術(shù)為自主導(dǎo)航計(jì)算提供必需的初始條件,對(duì)自主導(dǎo)航的效果有重要的作用。一般來(lái)說(shuō),對(duì)初始對(duì)準(zhǔn)的要求是提高對(duì)準(zhǔn)精度,縮短對(duì)準(zhǔn)時(shí)間。受限于工作環(huán)境,AUV需要在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行初始定位。如何提高載體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的初始對(duì)準(zhǔn)效率,降低運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)初始對(duì)準(zhǔn)帶來(lái)的負(fù)面影響是重要的研究方向。

(2)新型慣性器件

慣性器件主要包括陀螺儀和加速度計(jì)。陀螺儀是實(shí)現(xiàn)航位推算與慣性導(dǎo)航的關(guān)鍵器件。新型高精度陀螺有激光陀螺、光纖陀螺、MEMS陀螺、原子干涉陀螺等。其中MEMS陀螺有精度高、成本低、小型化、數(shù)字化和高可靠性的特點(diǎn),得到了廣泛的應(yīng)用。新型加速度計(jì)有石英加速度計(jì)、MEMS加速度計(jì)等。

(3)慣性器件誤差校正技術(shù)

慣性器件的主要誤差來(lái)源是漂移現(xiàn)象。針對(duì)漂移誤差,可采取反補(bǔ)償、自重調(diào)和自校正的方法進(jìn)行校正,或使用GPS、DVL、聲相關(guān)計(jì)程儀、地磁計(jì)程儀等外部設(shè)備進(jìn)行校正。

3.4.2 聲學(xué)導(dǎo)航

聲學(xué)導(dǎo)航有3種方式:

1)超短基線(Ultra Short Baseline,USBL)導(dǎo)航,基線長(zhǎng)度＜1m,通過(guò)相位測(cè)量來(lái)進(jìn)行位置解算;

2)短基線(Short Baseline,SBL)導(dǎo)航,基線長(zhǎng)度為1m~50m,通過(guò)時(shí)間測(cè)量得到距離,從而解算目標(biāo)位置;

3)長(zhǎng)基線(Long Baseline,LBL)導(dǎo)航,基線長(zhǎng)度為100m~6000m,通過(guò)時(shí)間測(cè)量得到距離,從而解算目標(biāo)位置。

其中LBL導(dǎo)航是最為常用的導(dǎo)航方式,AUV獲得與應(yīng)答器間距離后,通過(guò)球面交會(huì)法、最小二乘估計(jì)法等定位算法解算自身位置。為了利用高精度的GPS信息,提高LBL導(dǎo)航精度,可采用LBL聲納浮標(biāo)導(dǎo)航系統(tǒng),將GPS收發(fā)機(jī)與水聲信標(biāo)集成為一體,定時(shí)向AUV報(bào)告浮標(biāo)的位置, AUV根據(jù)聲傳播時(shí)間及浮標(biāo)位置計(jì)算出自身的位置坐標(biāo)。然而上述方式都需事先在海域布放換能器或換能器陣,限制了AUV的導(dǎo)航范圍。

3.4.3 水下地理信息輔助導(dǎo)航

水下地理信息導(dǎo)航通過(guò)匹配算法,將測(cè)量的地理信息與先驗(yàn)信息進(jìn)行匹配,估計(jì)AUV的位置。理論上可實(shí)現(xiàn)全球自主導(dǎo)航,主要作為慣導(dǎo)的輔助手段使用。常用的水下地理信息導(dǎo)航的手段有地磁輔助導(dǎo)航、重力輔助導(dǎo)航、等深線導(dǎo)航和地形匹配導(dǎo)航。SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)方法是一種同時(shí)定位與制圖方法,不需要先驗(yàn)的水下地理信息圖,當(dāng)AUV在水下運(yùn)動(dòng)時(shí),利用相關(guān)傳感器 (地磁儀、重力計(jì)、聲傳感器)感知、提取地理信息,進(jìn)行自身定位、構(gòu)建、更新地理信息圖,實(shí)現(xiàn)水下全球自主導(dǎo)航。劉明等[21]分析了基于圖像聲吶的SLAM算法在AUV組合導(dǎo)航中的應(yīng)用,劉明雍等[22]提出了一種基于隨機(jī)信標(biāo)的水下SLAM導(dǎo)航方法,并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性。此外,通過(guò)分析和模擬生物 (如海龜、海豚等)對(duì)水下地理信息的利用機(jī)理和方式,還可探索新的仿生導(dǎo)航模式。

3.4.4 組合導(dǎo)航

組合導(dǎo)航是一種 “取長(zhǎng)補(bǔ)短”的導(dǎo)航方法,能夠降低難度與成本,同時(shí)提高可靠性和容錯(cuò)性。常見(jiàn)的組合導(dǎo)航方式有:

(1)捷聯(lián)慣導(dǎo)+衛(wèi)星導(dǎo)航

該導(dǎo)航方式要求AUV周期性浮出水面,使用GPS/北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行位置修正,可用于遠(yuǎn)航程精確導(dǎo)航定位,但需周期性浮出水面,降低了隱蔽性,且不斷地上浮與下沉將消耗更多的能源。

(2)捷聯(lián)慣導(dǎo)+多普勒計(jì)程儀

該導(dǎo)航方式通過(guò)計(jì)程儀測(cè)得AUV絕對(duì)速度,對(duì)捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,消除漂移誤差和海流影響,隱蔽性好,能耗低,但多普勒計(jì)程儀無(wú)法全水深使用,變深控制可部分解決這一問(wèn)題。

(3)捷聯(lián)慣導(dǎo)+計(jì)程儀+地理信息

該導(dǎo)航方式能針對(duì)AUV的特定導(dǎo)航要求進(jìn)行工作,有較高導(dǎo)航定位精度,但無(wú)法全海域使用。

(4)捷聯(lián)慣導(dǎo)+計(jì)程儀+衛(wèi)星導(dǎo)航

該導(dǎo)航方式中,后兩者可互補(bǔ)使用,當(dāng)計(jì)程儀無(wú)法獲得絕對(duì)速度時(shí),使用衛(wèi)星導(dǎo)航來(lái)校正導(dǎo)航誤差,以滿足全海域?qū)Ш叫枨?提高導(dǎo)航精度。該組合導(dǎo)航方式可用于遠(yuǎn)航程精確導(dǎo)航定位,但隱蔽性差,且上浮下沉消耗額外能源。

3.4.5 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下的協(xié)同導(dǎo)航定位技術(shù)

在組網(wǎng)狀態(tài)下,多AUV攜帶不同類(lèi)型導(dǎo)航傳感器,通過(guò)信息共享,利用時(shí)間同步信號(hào)和水聲傳播延遲進(jìn)行位置解算估計(jì),實(shí)現(xiàn)協(xié)同導(dǎo)航定位。

1)協(xié)同導(dǎo)航定位技術(shù)(圖18),通過(guò)水聲通信共享位置信息、相對(duì)位置和方位信息;通過(guò)協(xié)同導(dǎo)航算法解算得到自身的精確位置估計(jì)。協(xié)同導(dǎo)航定位技術(shù)可分為主從式和并行式。主從式協(xié)同導(dǎo)航方式中,主AUV攜帶高精度傳感器,從AUV攜帶低精度傳感器;并行式協(xié)同導(dǎo)航方式中,各AUV攜帶同等級(jí)傳感器,通過(guò)一定的算法設(shè)計(jì)獲得較高精度的導(dǎo)航定位結(jié)果。

圖18 一種協(xié)同導(dǎo)航算法原理圖Fig.18 Diagram of a kind of cooperative navigaiton

2)移動(dòng)長(zhǎng)基線協(xié)同導(dǎo)航定位方法[23]是隨著AUV的水聲定位需求發(fā)展起來(lái)的一種長(zhǎng)基線水聲導(dǎo)航定位系統(tǒng),它與傳統(tǒng)長(zhǎng)基線水聲導(dǎo)航定位系統(tǒng)最大的不同是:應(yīng)答器不是固定布設(shè)在海底,而是移動(dòng)的,多布設(shè)在大型AUV上,與被定位AUV組成水聲通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)同定位,如圖19所示。

圖19 移動(dòng)長(zhǎng)基線定位原理示意圖Fig.19 Diagram of moving LBL

3.5 布放與回收技術(shù)

現(xiàn)代化的AUV布放和回收要求高效率、高安全性、高自動(dòng)化水平,操作簡(jiǎn)單且具備高海況作業(yè)的能力。常規(guī)AUV布放和回收方式可分為水面方式和水下方式。在水面上,可采用掛鉤布放/回收、滑道布放/回收和中繼布放/回收;在水下可根據(jù)AUV外形使用潛艇魚(yú)雷管布放/回收或潛艇外殼背負(fù)方式。其主要研究?jī)?nèi)容有:

(1)近距離精確導(dǎo)引對(duì)準(zhǔn)技術(shù)

常用的近距離精確導(dǎo)引方法有基于慣導(dǎo)+ DVL的導(dǎo)引方法和水聲導(dǎo)引法。其中,水聲導(dǎo)引法通過(guò)超短基線獲取AUV與目標(biāo)點(diǎn)的相對(duì)空間距離,采用橫向跟蹤控制算法導(dǎo)引AUV沿回塢站中軸線駛?cè)牖貕]站中。由于聲學(xué)導(dǎo)引精確度較低,聲信號(hào)更新頻率慢,近距離視覺(jué)傳感器導(dǎo)引AUV回塢技術(shù)在近幾年獲得了較多關(guān)注。Watt等[24]闡述了將AUV與移動(dòng)潛艇對(duì)接的概念,設(shè)計(jì)了一種基于視覺(jué)的導(dǎo)引方法,并于2015年成功將其應(yīng)用到加拿大新斯科舍省的AUV回收實(shí)驗(yàn)中。嚴(yán)衛(wèi)生等[25]提出了一種基于偶極勢(shì)場(chǎng)的導(dǎo)引方法,該方法將回塢過(guò)程分為回塢準(zhǔn)備階段和回塢階段。在回塢準(zhǔn)備階段采用航路點(diǎn)導(dǎo)航方法,使AUV航行到距回塢站一定范圍內(nèi);然后利用建立的偶極勢(shì)場(chǎng)通過(guò)一定的控制算法導(dǎo)引AUV進(jìn)入回塢站。

(2)布放/回收流體動(dòng)力學(xué)

在AUV的布放/回收過(guò)程中,會(huì)存在海流海浪的來(lái)流、AUV與母船相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的擾流以及海底或龐大物體邊界產(chǎn)生的繞流。來(lái)流、擾流和繞流3方面相互影響、相互作用,產(chǎn)生非線性非定常的復(fù)雜流場(chǎng),對(duì)AUV的布放和回收產(chǎn)生負(fù)面影響,甚至可能導(dǎo)致碰撞。為實(shí)現(xiàn)AUV的高效布放/回收,對(duì)該復(fù)雜流場(chǎng)的建模分析方法及AUV對(duì)該流場(chǎng)擾動(dòng)的處理方法還需深入研究。

(3)布放/回收協(xié)調(diào)控制技術(shù)

協(xié)調(diào)控制中的核心技術(shù)為AUV和回塢站的對(duì)接控制,研究重點(diǎn)為回塢過(guò)程中的路徑規(guī)劃和相應(yīng)的控制算法。常用的布放/回收協(xié)調(diào)控制技術(shù)有模糊控制、基于混雜系統(tǒng)的控制和分層遞階控制等。為提高布放/回收協(xié)調(diào)控制算法對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性和魯棒性,魯棒模糊控制、自適應(yīng)滑模控制等新型控制算法得到了廣泛的關(guān)注。

4 總結(jié)與展望

UUV作為海洋開(kāi)發(fā)利用和海洋安全保障的重要技術(shù)手段,在海洋開(kāi)發(fā)和利用中有不可或缺的作用(表3)。本文系統(tǒng)總結(jié)了國(guó)外UUV的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀,詳細(xì)分析了AUV各關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀并指出發(fā)展趨勢(shì)。隨著相關(guān)技術(shù)的日益成熟和相關(guān)需求的不斷擴(kuò)展,UUV的應(yīng)用前景十分廣闊。面對(duì)接踵而來(lái)的新任務(wù)及提出的更高要求,UUV的主要研究應(yīng)集中在以下4個(gè)方面:

1)提高持續(xù)工作能力,實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)航時(shí)、遠(yuǎn)航程工作;

2)提高UUV的自主性和智能化水平,滿足多元應(yīng)用領(lǐng)域?qū)UV提出的具備多種功能、執(zhí)行多種任務(wù)的要求;

3)提高UUV對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力和全球海域工作能力,提高在大深度和兩極海域的工作效率;

4)提高多UUV協(xié)作系統(tǒng)的性能,從而提升UUV應(yīng)對(duì)復(fù)雜任務(wù)的能力。

人工智能技術(shù)正在世界范圍內(nèi)飛速發(fā)展,中國(guó)也將迎來(lái)人工智能2.0時(shí)代。作為人工智能的重要應(yīng)用領(lǐng)域,無(wú)人系統(tǒng)的智能化水平必將在不久的將來(lái)達(dá)到新的高度,UUV也將在海洋資源開(kāi)發(fā)、海洋生態(tài)保護(hù)和海洋安全領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

表3 國(guó)外典型UUV參數(shù)Tab.3 Parameters of typical foreign UUV

[1] Remotely Operated Vehicle“KAIKO7000II”[DB/OL]. http://www.jamstec.go.jp/e/museum/wallpaper/ wp/kaiko7000_2_1024.jpg.

[2] Oceaneering公司[DB/OL].http://www.oceaneering. com/.

[3] ROV Underwater Remotely Operated Vehicles by Saab Seaeye[DB/OL].http://www.seaeye.com/.

[4] Seamor Marine Ltd.|World Class Subsea Remotely Operated Vehicles[DB/OL].http://seamor.com/.

[5] AUV Laboratory at MIT Sea Grant[DB/OL].https:// auvlab.mit.edu/vehicles/#o4.

[6] 陳強(qiáng).水下無(wú)人航行器[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2014.

[7] 日本機(jī)器人在印度洋海底發(fā)現(xiàn)世界最大熔巖平原[DB/OL].http://news.xinhuanet.com/tech/2007-01/11/content_5593520.htm.

[8] Bluefin-21》Bluefin Robotics[DB/OL].http:// www.bluefinrobotics.com/vehicles-batteries-andservices/bluefin-21/.

[9] Autonomous Underwater Vehicle,REMUS 100-REMUS 100 AUV-Kongsberg Maritime[DB/OL].https://www. km.kongsberg.com/ks/web/nokbg0240.nsf/AllWeb/D24 1A2C835DF40B0C12574AB003EA6AB?OpenDocument.

[10] Autosub6000-AUVAC[DB/OL].http://auvac.org/ configurations/view/86.

[11] Double Eagle MCM System[DB/OL].http://www.seaeye.com/pdfs/military/Double_Eagle_MCM.pdf# view=Fit H.

[12] ハイボット-極限作業(yè)におけるロボティクス·ソリューション[DB/OL].http://www.hibot.co.jp/ en/products/robots_1/acm-r5h_33.

[13] US deploys underwater drones to hunt for Iranian drones-Telegraph[DB/OL].http://www.telegraph.co.uk/ news/worldnews/middleeast/iran/9395584/US-deploys-underwater-drones-to-hunt-for-Iranian-drones. html.

[14] SAUV II-AUVAC[DB/OL].http://auvac.org/configurations/view/24.

[15] Seaglider[DB/OL].http://www.apl.washington.edu/ project/project.php?id=seaglider.

[16] Zhang T,Li Q,Zhang C,et al.Current trends in the development of intelligent unmanned autonomous systems[J].Frontiers of Information Technologyamp;E-lectronic Engineering,2017,18(1):68-85.

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[18] Mc Mahon J,Plaku E.Mission and motion planning for autonomous underwater vehicles operating in spatially and temporally complex environments[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering,2016,41(4): 893-912.

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[21] 劉明,張嚴(yán),徐德民.基于圖像聲納SLAM算法在AUV組合導(dǎo)航中的應(yīng)用[J].魚(yú)雷技術(shù),2011,19 (4):276-281.

[22] 劉明雍,董婷婷,張立川.基于隨機(jī)信標(biāo)的水下SLAM導(dǎo)航方法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2015, 37(12):2830-2834.

[23] 張立川,徐德民,劉明雍,等.基于移動(dòng)長(zhǎng)基線的多AUV協(xié)同導(dǎo)航[J].機(jī)器人,2009,31(6):581-585.

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[25] 嚴(yán)衛(wèi)生,齊貝貝,高劍,等.基于偶極勢(shì)場(chǎng)的自主水下航行器回塢導(dǎo)引算法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2016,38(4):902-908.

Development and Key Technologies of Unmanned Underwater Vehicles

WANG Tong-hao1,PENG Xing-guang1,PAN Guang1,XU De-min1,2
(1.School of Marine Science and Technology,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China; 2.Research Center for Unmanned System Strategy Development,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China)

The Unmanned Underwater Vehicle(UUV),including the Remotely Operated Vehicle (ROV)and the Autonomous Underwater Vehicle(AUV),is indispensable in the field of marine science,underwater targets detection,etc.,for safeguarding marine rights and interests.Thus, the UUV has drawn world-wide attention and plenty of efforts have been made to improve related technologies.This work reviews the development and applications of the UUV.In addition,key technologies of the AUV and their prospects are also presented.

Unmanned underwater vehicle(UUV);Remotely operated vehicle(ROV);Autonomous underwater vehicle(AUV)

O375.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

2096-4080(2017)04-0052-13

2017-09-15;

2017-11-01

國(guó)家自然科學(xué)基金(61473233)

王童豪(1994-),男,博士,主要研究方向?yàn)樽灾魉潞叫衅骺刂婆c導(dǎo)航技術(shù)。E-mail:wangth@mail.nwpu.edu.cn