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    水下無(wú)人系統(tǒng)智能化關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

    2020-02-05 06:00:20趙留平
    無(wú)人系統(tǒng)技術(shù) 2020年6期
    關(guān)鍵詞:集群驅(qū)動(dòng)機(jī)器人

    趙留平,李 環(huán),王 鵬

    (1.海軍裝備部駐武漢地區(qū)第二軍事代表室,武漢430064;2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心,武漢430064;3.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院,西安710072)

    1 引言

    水下無(wú)人系統(tǒng)(Unmanned Underwater System,UUS)是各類無(wú)人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)、水下無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)及其所必要的控制設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和人員的總稱。在民用領(lǐng)域,UUS 可進(jìn)行深海數(shù)據(jù)收集、資源勘探、深海救援等;在軍事領(lǐng)域,UUS 也可進(jìn)行情報(bào)收集、水下偵查、作戰(zhàn)打擊和后勤支援等[1],因此水下無(wú)人系統(tǒng)具有重要研究?jī)r(jià)值。

    近年來(lái),隨著國(guó)家海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施,人們對(duì)海洋資源的開(kāi)發(fā)利用需求不斷加大。UUS 雖然可以代替人執(zhí)行一些“枯燥的、惡劣的和危險(xiǎn)的”水下任務(wù),但執(zhí)行任務(wù)過(guò)程智能化程度仍處于較低水平。隨著人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展,智能化的設(shè)備已經(jīng)逐漸應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域。對(duì)于水下無(wú)人系統(tǒng)來(lái)說(shuō),智能化更是未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)。

    通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),水下無(wú)人系統(tǒng)智能化涉及水下通信、智能集群以及水下智能仿生等關(guān)鍵技術(shù)。

    水下通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能化的關(guān)鍵因素之一,水下控制、數(shù)據(jù)通信、圖像傳輸以及協(xié)同作戰(zhàn)的配合都離不開(kāi)水下通信的基礎(chǔ)保障。傳輸速率、傳輸干擾、傳輸距離等因素都為水下通信的核心技術(shù)難點(diǎn),也是實(shí)現(xiàn)智能化、集群化、協(xié)同化作戰(zhàn)模式的跨越式發(fā)展前提,對(duì)水下無(wú)人智能化領(lǐng)域應(yīng)用的廣度、深度、可靠性與經(jīng)濟(jì)性有著深遠(yuǎn)影響。

    單一個(gè)體作業(yè)存在局限性,未來(lái)智能化發(fā)展也必然是集群協(xié)同作戰(zhàn)。集群系統(tǒng)可利用單體自主性實(shí)現(xiàn)集體決策以及群體級(jí)穩(wěn)態(tài),能夠突破個(gè)體的單一性和局限性完成個(gè)體無(wú)法獨(dú)自完成的任務(wù);同時(shí)具有高度可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性,所以集群系統(tǒng)有著較強(qiáng)的魯棒性和靈活性,符合未來(lái)發(fā)展的需求。

    水生生物經(jīng)過(guò)自然的優(yōu)劣選擇具有極強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性,采用智能驅(qū)動(dòng)材料模仿或借鑒水生生物的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)方式,實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知和自主學(xué)習(xí)、人機(jī)交互、動(dòng)力控制和通訊系統(tǒng)等功能,增加其智能性、機(jī)動(dòng)性、可靠性和安全性等,對(duì)未來(lái)水下智能發(fā)展具有重要意義。

    通信是交互的基礎(chǔ),集群是協(xié)同的關(guān)鍵,仿生是發(fā)展的趨勢(shì)。本文總結(jié)了以上技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,并分析了這些技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

    2 水下通信技術(shù)

    安全可靠的高速數(shù)據(jù)傳輸通信是UUS智能化、集群化、協(xié)同作戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù),是水下控制、數(shù)據(jù)通信和圖像傳輸?shù)闹匾U?。通過(guò)通信系統(tǒng)將UUS組網(wǎng),是解決特定問(wèn)題的有效途徑。構(gòu)建多元化通信網(wǎng)絡(luò)體系,發(fā)展傳輸距離遠(yuǎn)、速率大、容量高、可靠性高的傳輸手段,實(shí)現(xiàn)UUS 多平臺(tái)間的數(shù)據(jù)共享,是未來(lái)水下通信技術(shù)的發(fā)展方向。本節(jié)對(duì)當(dāng)前的水下通信方式進(jìn)行介紹,并對(duì)新型跨介質(zhì)通信技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行展望。

    2.1 水聲通信技術(shù)

    電磁波信號(hào)在海水中快速衰減,在水下的傳輸距離非常有限。水聲通信技術(shù)因其通信距離遠(yuǎn)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。世界上第一個(gè)具有實(shí)際應(yīng)用意義的水聲通信系統(tǒng)是美國(guó)海軍水聲實(shí)驗(yàn)室于1945年研制的水下電話,該系統(tǒng)采用單邊帶調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)潛艇之間的通信。水聲通信系統(tǒng)最初采用模擬調(diào)制方式,如伍茲霍爾海洋研究所在20世紀(jì)50年代末研制的調(diào)頻水聲通信系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了水底到水面船只的通信。我國(guó)的660 型通信聲納采用單邊帶調(diào)制技術(shù),實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音通信。

    20世紀(jì)70年代以來(lái),隨著信號(hào)處理技術(shù)的迅速發(fā)展,數(shù)字調(diào)制技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用到水聲通信系統(tǒng)中。與模擬通信相比,數(shù)字通信可以利用糾錯(cuò)編碼技術(shù)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?,?duì)時(shí)域和頻域上的信道畸變進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償,且抗干擾性強(qiáng)。早期的數(shù)字水聲與通信系統(tǒng)大多采用非相干調(diào)制方式,其中頻移鍵控(Frequency-Shift Keying,F(xiàn)SK)調(diào)制方式最為常用。1981年,美國(guó)麻省理工學(xué)院和伍茲霍爾海洋研究所聯(lián)合開(kāi)發(fā)了數(shù)字聲遙測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)利用多進(jìn)制頻移鍵控技術(shù)實(shí)現(xiàn)在200 m左右距離上進(jìn)行數(shù)據(jù)率為1.2 kbps的水聲通信[2]。

    20世紀(jì)80年代,相干調(diào)制技術(shù)被引入水聲通信中。與非相干技術(shù)相比,其帶寬利用率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。研究人員開(kāi)展了相移鍵控(Phase-Shift Keying,PSK)和正交振幅調(diào)制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)的相關(guān)研究。首先是在深海垂直信道、近距離水平信道等相位比較穩(wěn)定的水聲信道上進(jìn)行;直到20世紀(jì)90年代,相干調(diào)制技術(shù)在中遠(yuǎn)程淺海水平信道中的應(yīng)用才得到較快發(fā)展。具有里程碑意義的是在相干接收機(jī)中使用了決策反饋均衡器和二階鎖相環(huán),實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)率為1 kpbs、通信距離90 km的相干PSK通信。20世紀(jì)90年代,美國(guó)Scripps 海洋研究所提出了單載波相干通信技術(shù)[3]。

    20世紀(jì)90年代至今,學(xué)者們?cè)谔岣咄ㄐ潘俾屎蛯?duì)抗信道衰落與起伏方面進(jìn)行了大量的研究。90年代中后期,正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技術(shù)被應(yīng)用于水聲通信,OFDM 技術(shù)能夠有效對(duì)抗由信道多徑時(shí)延引起的時(shí)間彌散,并且各個(gè)子信道在頻域上相互重疊,大大地提高了頻譜利用率。美國(guó)麻省理工學(xué)院等單位開(kāi)展了多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技術(shù)的研究[4],MIMO 技術(shù)采用多發(fā)多收結(jié)構(gòu),不僅能夠滿足多用戶同時(shí)通信,還可以擴(kuò)充信道容量,顯著提高了通信速率和系統(tǒng)可靠性。

    近幾十年來(lái),隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展以及在海洋開(kāi)發(fā)利用的迫切需求下,水聲通信技術(shù)水平取得長(zhǎng)足進(jìn)步。水聲通信技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是提高通信速率、通信距離和信道利用率,為高速率水下通信應(yīng)用提供技術(shù)支撐;進(jìn)一步提高通信可靠性,歸納信道多途結(jié)構(gòu)特性與時(shí)空變規(guī)律;進(jìn)一步提高通信系統(tǒng)魯棒性并降低誤碼率。

    2.2 水下激光通信技術(shù)

    1963年,Sullivan 和Duntley 等研究發(fā)現(xiàn)海水中存在一個(gè)藍(lán)綠光的透光窗口[5],為水下激光通信的研究指明了發(fā)展方向。20世紀(jì)70年代至80年代中期,美國(guó)完成了水下激光通信技術(shù)方案的設(shè)計(jì),并完成了原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),證實(shí)藍(lán)綠激光在渾濁海水中能夠進(jìn)行通信。80年代中期至90年代,美國(guó)研究重點(diǎn)集中在信號(hào)的調(diào)制/解調(diào)、“海水信道”的物理模型和編/解碼技術(shù)等方面,期間完成了空-地、星-地以及極地長(zhǎng)距離通信鏈路的試驗(yàn)驗(yàn)證[5-7]。2008年,美國(guó)Hanson 等首次在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了傳輸速率高達(dá)1 Gb/s 的水下光通信[8]。2010年,美國(guó)麻省理工學(xué)院的Heather 開(kāi)發(fā)了基于超亮藍(lán)色LED 的發(fā)射器系統(tǒng)和基于藍(lán)色增強(qiáng)廣電二極管的接收器系統(tǒng),該系統(tǒng)在13 m 的傳輸距離上傳輸速率可達(dá)3 Mbps[9]。2018年,俄羅斯Kirillov 等設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)水下光通信系統(tǒng)傳輸速率達(dá)到100 Mbps,誤碼率不超過(guò)10-7,傳輸距離可達(dá)數(shù)10 m[10]。2014年,姚燦設(shè)計(jì)了基于開(kāi)關(guān)鍵控(ON-OFF Keying,OOK)調(diào)制的水下實(shí)時(shí)光通信系統(tǒng),該系統(tǒng)在串口速率為9600 bps 時(shí),傳輸距離可達(dá)27 m[11]。2018年王培林等采用448 nm 藍(lán)光作為光源,實(shí)現(xiàn)了25 Mbps 傳輸速率,10 m 傳輸距離的低成本OOK 水下光通信系統(tǒng)[12]。

    水下激光通信具有傳輸碼率高、安全性高、抗干擾性強(qiáng)、傳輸延遲短等優(yōu)點(diǎn),但距離實(shí)用化還有一定距離。激光與海水中物質(zhì)間相互作用會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜效應(yīng)。海水中的水分子、浮游植物和巖屑會(huì)不同程度地對(duì)激光產(chǎn)生吸收效應(yīng)和散射效應(yīng),限制信號(hào)的傳輸距離及性能;海水介質(zhì)折射率的變化,會(huì)使水下激光通信信道表現(xiàn)出湍流效應(yīng)[13],強(qiáng)湍流效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致通信系統(tǒng)能力惡化。水下激光通信傳輸需要直線對(duì)準(zhǔn),具有極強(qiáng)的方向性,通信時(shí)必須知道目標(biāo)的大致位置,通信距離較短。

    未來(lái)對(duì)水下激光通信的需求應(yīng)當(dāng)是高保密、高速率、低時(shí)延、大容量的。水下激光通信的發(fā)展趨勢(shì)包括:在保證傳輸性能的基礎(chǔ)上添加有效的加密算法,發(fā)展安全性更高的水下激光通信系統(tǒng);結(jié)合水聲通信與激光通信的優(yōu)點(diǎn),發(fā)展混合聲光通信系統(tǒng);提高通信容量和速率,發(fā)展實(shí)時(shí)水下激光通信系統(tǒng)。

    2.3 水下-空中跨介質(zhì)通信技術(shù)

    借助水下無(wú)人平臺(tái)、水面浮標(biāo)、岸基等通信資源,通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的相互通信,構(gòu)建多平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)化的通信系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)UUS ??仗烊灰惑w協(xié)同工作。其中,水聲組網(wǎng)通信技術(shù)、水下中繼水聲通信技術(shù)和水下-水面-空中一體化中繼通信技術(shù)亟待突破。由于通信節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍是有限的,限制了通信距離和靈活性,促使新型跨介質(zhì)通信技術(shù)的發(fā)展,如水下中微子通信[14]、引力波通信[15]和水下量子通信[16]等技術(shù)等。

    中微子具有極強(qiáng)的穿透能力,高能中微子束穿過(guò)地球后,其衰減不足千分之一,滿足深海任意深度的通信需求。中微子通信是利用中微子粒子作為載體的通信技術(shù)[17],具有通信容量大、抗干擾能力強(qiáng)、保密性好等優(yōu)點(diǎn)。1984年美國(guó)一艘核潛艇做環(huán)球潛行時(shí),采用了中微子通信技術(shù)。1998年6月,日本科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩的確切證據(jù)。隨后,研究人員對(duì)中微子振蕩以及探測(cè)器進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究,為水下中微子通信提供了理論依據(jù)。近幾年,美國(guó)開(kāi)展了中微子相關(guān)的通信試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,進(jìn)行中微子通信須借助類似粒子加速器的大型設(shè)備,技術(shù)要求復(fù)雜。

    引力波是一種以光速傳播的橫波,具有很強(qiáng)的穿透力,沒(méi)有任何物質(zhì)能夠阻擋引力波的傳播。引力波在水中傳播時(shí),能量被損耗一半時(shí)的傳輸距離為1029 km,引力波的能量與其振動(dòng)頻率的6 次方成正比,通過(guò)加快物質(zhì)的振動(dòng)頻率可提高發(fā)射能量,進(jìn)一步擴(kuò)大引力波的通信距離。由于引力波較為微弱,對(duì)其探測(cè)存在困難。目前引力波探測(cè)主要基于邁克爾遜激光干涉儀,研究人員已開(kāi)展相關(guān)探測(cè)實(shí)驗(yàn)[18-20]。理論上可以采用任何頻率的引力波進(jìn)行通信,但對(duì)于極低頻率幾乎無(wú)法探測(cè)。研究人員在極低頻和高頻引力波探測(cè)技術(shù)上開(kāi)展了大量的研究,隨著探測(cè)技術(shù)的發(fā)展,水下引力波通信將是水下通信的最好選擇之一。

    量子通信利用量子相干疊加、糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞,具有抗干擾性強(qiáng)、保密性強(qiáng)和隱蔽性好等優(yōu)點(diǎn)[21]。量子不確定原理和未知量子的不可克隆定理,這兩個(gè)性質(zhì)使得量子通信具有天然安全性,滿足軍事通信的基本要求。陸地上量子通信已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了144 km 的信息傳輸。2014年4月,Shi 等發(fā)表研究報(bào)告,認(rèn)為短距離的水下量子通信是可能的,并計(jì)算得出水下量子通信系統(tǒng)在清澈海水中最遠(yuǎn)傳輸距離為125 m[22]。嵇玲開(kāi)展了單光子極化量子態(tài)和糾纏光子在海水中的傳輸和保持特性相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究[23]。2017年8月,上海交通大學(xué)金賢敏團(tuán)隊(duì)成功進(jìn)行了首個(gè)海水量子通信實(shí)驗(yàn),首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了量子通信在水下應(yīng)用的可行性。水下量子通信對(duì)于保證信息安全,提高信息傳輸準(zhǔn)確性具有很高的價(jià)值,但目前水下量子通信距離較短,無(wú)法實(shí)現(xiàn)水下遠(yuǎn)距離通信,且量子制備及測(cè)量技術(shù)還不成熟。

    水下-空中跨介質(zhì)通信技術(shù)的關(guān)鍵是研究空中和水下一體化通信方式和能力。目前,中微子通信、引力波通信和量子通信等新興通信技術(shù)性能優(yōu)異,發(fā)展前景廣闊。但對(duì)于這些技術(shù)的研究與探索尚處于初期階段,進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用仍有很長(zhǎng)的路要走。當(dāng)前,水下無(wú)線通信還面臨著水中通信距離短、容量小,傳輸速度低,無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信等問(wèn)題。將通信技術(shù)組合化,如結(jié)合水聲通信的長(zhǎng)傳輸距離優(yōu)勢(shì)和水下激光通信的高傳輸速率的優(yōu)勢(shì),可以實(shí)現(xiàn)通信性能的倍增;將通信方式網(wǎng)絡(luò)化,能夠在局部位置快速形成通信網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的信息交互。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和研究的深入,水下通信技術(shù)將逐步發(fā)展,為水下軍事斗爭(zhēng)和資源開(kāi)發(fā)提供強(qiáng)有力的通信保障。

    3 水下集群技術(shù)

    隨著UUV技術(shù)日漸成熟,其所面臨的任務(wù)難度和復(fù)雜度也有很大提升,單一UUV 在大范圍內(nèi)作業(yè)的時(shí)效性、魯棒性和靈活性等方面表現(xiàn)出明顯不足。因此,多UUV 以集群(Swarm)的形式互相協(xié)作執(zhí)行任務(wù)成為了UUV 群體智能化發(fā)展的必然趨勢(shì)。本節(jié)探討影響UUV 集群個(gè)體能力與整體效能的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,為其將來(lái)的發(fā)展提供參考。

    3.1 集群優(yōu)化技術(shù)

    集群優(yōu)化是集群系統(tǒng)的核心技術(shù),其通過(guò)合理控制每個(gè)UUV 的活動(dòng),使UUV 間能夠相互聯(lián)系并合作,使任務(wù)執(zhí)行時(shí)間最少或能耗最小,從而將集群的優(yōu)勢(shì)最大化。該技術(shù)根據(jù)不同任務(wù)的客觀條件提煉出優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,隨后將適合的智能算法引入,并根據(jù)不同的海洋環(huán)境對(duì)算法進(jìn)行一定的改進(jìn),以實(shí)現(xiàn)集群智能控制?,F(xiàn)階段,在UUV 集群的路徑跟蹤[24-25]、編隊(duì)控制[26]和協(xié)同圍捕[27-28]等問(wèn)題上都有著大量的應(yīng)用。如在協(xié)同搜尋任務(wù)上將問(wèn)題定義為目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)最大概率,并引入海底地形環(huán)境,對(duì)群UUV 運(yùn)動(dòng)加以約束。利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)算法求解,得到如圖1所示的搜尋路徑。類似地,在協(xié)同圍捕的任務(wù)中,定義了以最短狩獵時(shí)間為目標(biāo)的優(yōu)化模型,并將避障機(jī)制引入蟻群算法進(jìn)行求解,圍捕過(guò)程如圖2所示。此外,受自然界群體行為的啟發(fā),很多智能控制算法被應(yīng)用于UUV 的集群控制,比較常用的算法有:人工勢(shì)場(chǎng)法[29]、蟻群算法[30-31]、粒子群算法[32]和強(qiáng)化學(xué)習(xí)等方法[33-36]。其中,人工勢(shì)場(chǎng)法為經(jīng)典的算法,其將UUV 附近的威脅或障礙視為斥力場(chǎng),將任務(wù)目標(biāo)作為引力場(chǎng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)集群的無(wú)避碰控制。該方法求解效率較高,但容易陷入局部最優(yōu)。蟻群和粒子群算法屬于啟發(fā)式方法,即模擬自然界中存在的群體行為,并應(yīng)用至集群的協(xié)同控制。具體地,蟻群算法,是模擬蟻群社會(huì)中螞蟻之間的分工合作機(jī)制,來(lái)有效地解決UUV 協(xié)同多任務(wù)分配問(wèn)題;粒子群算法,是通過(guò)分析鳥(niǎo)類覓食過(guò)程中的鳥(niǎo)群飛行方式,來(lái)解決復(fù)雜環(huán)境下的多無(wú)人機(jī)編隊(duì)重構(gòu)控制問(wèn)題。啟發(fā)式方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,編碼容易,在大多數(shù)情況下能夠找到全局最優(yōu)解,然而這類方法通常需要大量的函數(shù)迭代,優(yōu)化效率較低。強(qiáng)化學(xué)習(xí)法利用大量的先前任務(wù)數(shù)據(jù)建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,以便在UUV 集群任務(wù)中預(yù)測(cè)各UUV 的行為并制定合作策略,以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的集群決策。該方法可以實(shí)現(xiàn)UUV 間的自主博弈與獨(dú)立決策,具有廣闊的應(yīng)用前景。但這類方法在任務(wù)開(kāi)始前需要大量的真實(shí)數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,導(dǎo)致耗費(fèi)大量的人力物力,并且預(yù)測(cè)行為常常存在誤差和不確定性,影響集群決策。強(qiáng)化學(xué)習(xí)法目前處于起步階段,相信隨著人工智能的發(fā)展,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步,所需的先前數(shù)據(jù)會(huì)變少,預(yù)測(cè)行為的精度會(huì)提高,強(qiáng)化學(xué)習(xí)法也將更具競(jìng)爭(zhēng)力。

    圖1 UUV集群協(xié)同追蹤路徑Fig.1 Cluster collaborative tracking path of UUV

    圖2 UUV集群智能圍捕Fig.2 Cluster intelligence seizing of UUV

    然而,由于海底復(fù)雜環(huán)境和惡劣通信條件的限制,很多算法不能直接被移植到UUV 集群應(yīng)用當(dāng)中。因此,現(xiàn)有智能算法在海洋環(huán)境的應(yīng)用以及適用UUV 集群的新智能控制算法的開(kāi)發(fā)仍是未來(lái)UUV集群控制技術(shù)的關(guān)鍵所在。

    3.2 集群任務(wù)規(guī)劃

    集群任務(wù)規(guī)劃是指根據(jù)所執(zhí)行任務(wù)的具體要求以及可用UUV 類型和數(shù)量、必經(jīng)路徑點(diǎn)等約束條件,利用水下環(huán)境、UUV功能性能、目標(biāo)屬性特點(diǎn)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù),對(duì)任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中各UUV 的工作狀態(tài)和使用方式進(jìn)行規(guī)劃,如規(guī)劃任務(wù)配置、開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間、偵察/發(fā)射角度、參數(shù)設(shè)置等。研究高效率協(xié)同多任務(wù)規(guī)劃方法是提升UUV 集群效能的重要途徑,具有重要的理論和實(shí)際意義。UUV集群任務(wù)規(guī)劃技術(shù)起步相對(duì)較晚且十分復(fù)雜[37-38],目前的研究主要是改進(jìn)多無(wú)人機(jī)任務(wù)分層規(guī)劃(Hierarchical Planning)的方法[39-45],即將問(wèn)題分解成決策層(Decision-making Layer)、路徑規(guī)劃層(Path Planning Layer)、控制層(Control Layer)等多個(gè)層次。其中,決策層負(fù)責(zé)集群頂層的任務(wù)決策、沖突消解、任務(wù)重分配和指標(biāo)評(píng)估等;路徑層負(fù)責(zé)任務(wù)執(zhí)行中的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃,生成適應(yīng)海洋環(huán)境的安全航線,以引導(dǎo)UUV 規(guī)避威脅、障礙等;控制層則保證UUV準(zhǔn)確的沿著生成的路徑航行,并進(jìn)行一定的冗余管理以降低干擾等因素的影響。如圖3所示,三個(gè)UUV 需要對(duì)一些水下固定探測(cè)點(diǎn)進(jìn)行巡邏維修。指揮中心根據(jù)最初的任務(wù)狀態(tài)對(duì)UUV 進(jìn)行規(guī)劃。每當(dāng)UUV 抵達(dá)探測(cè)點(diǎn)后,其將自身狀態(tài)、海洋環(huán)境等任務(wù)參數(shù)向指揮中心進(jìn)行匯報(bào)。指揮中心得以重新評(píng)估并更新UUV 任務(wù)序列。隨后UUV 根據(jù)更新后的序列調(diào)整自身運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)。通過(guò)這種嵌套式的多層規(guī)劃方式,最終得到多UUV 的協(xié)同巡邏路徑序列。分層規(guī)劃的思路可以很好的梳理和降低多UUV 協(xié)同規(guī)劃的復(fù)雜性,是解決該問(wèn)題的有效手段。有了分層規(guī)劃的思路之后,需要對(duì)多機(jī)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行建模與求解。從運(yùn)籌學(xué)的角度來(lái)看,該問(wèn)題屬于一類復(fù)雜的組合優(yōu)化問(wèn)題。對(duì)該優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行建模與求解的方法有很多種,大致可以分為集中式和分布式兩類[46-49],兩者各有千秋。集中式的發(fā)展時(shí)間要早于分布式,但由于分布式在動(dòng)態(tài)、不確定的場(chǎng)景下和實(shí)時(shí)性要求等方面的適用性更廣泛,成為現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn)。

    綜合異常自動(dòng)圈定利用GeoIPAS軟件內(nèi)專題圖件下單元素異常圖功能實(shí)現(xiàn),相當(dāng)于把綜合異常指數(shù)(Z)值作為一組單元素測(cè)試值對(duì)待。

    此外,集群規(guī)劃技術(shù)涉及的大量難點(diǎn)還需要進(jìn)一步攻關(guān)。包括如何完成大規(guī)模群體多主體、多任務(wù)、多層級(jí)、多分支的非線性任務(wù)規(guī)劃,如何處理大規(guī)模集群中單機(jī)協(xié)同、群間協(xié)同等復(fù)雜協(xié)同關(guān)系,如何能夠?qū)⑷蝿?wù)經(jīng)驗(yàn)以機(jī)器能夠識(shí)別的程序化語(yǔ)言進(jìn)行表達(dá)等。作為未來(lái)智能化水下的重要力量,對(duì)UUV 集群任務(wù)規(guī)劃的研究必須加大力量,持續(xù)深入進(jìn)行。

    圖3 UUV集群巡邏任務(wù)的分層規(guī)劃方法Fig.3 Hierarchical planning method for cluster patrol tasks of UUV

    3.3 集群編隊(duì)

    集群編隊(duì)技術(shù)是智能集群執(zhí)行任務(wù)的安全基礎(chǔ)和最基本形式。編隊(duì)技術(shù)是指智能集群在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中,如何形成并保持一定的幾何構(gòu)型,以適應(yīng)平臺(tái)性能、水下環(huán)境、作業(yè)任務(wù)等要求的技術(shù),主要解決兩個(gè)問(wèn)題:一是編隊(duì)構(gòu)成與重構(gòu),包括行動(dòng)前編隊(duì)生成問(wèn)題,遇到障礙時(shí)編隊(duì)的拆分、重建等問(wèn)題,增加或減少UUV 的編隊(duì)重構(gòu)問(wèn)題等;二是編隊(duì)保持,如圖4所示,包括行動(dòng)中編隊(duì)保持問(wèn)題,在不同幾何形態(tài)間的編隊(duì)切換問(wèn)題,保持幾何形態(tài)不變條件下的編隊(duì)收縮、擴(kuò)張、旋轉(zhuǎn)控制問(wèn)題等。目前集群的研究主要針對(duì)少數(shù)UUV 的編隊(duì),主要的編隊(duì)技術(shù)方法分為虛擬結(jié)構(gòu)方法、領(lǐng)航者-跟隨者方法和人工勢(shì)場(chǎng)法[50-54]。然而這些方法很依賴通信,不能擺脫水下通信受限對(duì)編隊(duì)技術(shù)的影響;而且現(xiàn)階段關(guān)于一致性的研究主要局限于理論分析和仿真,還沒(méi)有具體的應(yīng)用實(shí)例。

    因此,新形勢(shì)下對(duì)智能集群提出了的新要求:一方面要加強(qiáng)無(wú)人智能個(gè)體自主性,使其能夠自主處理各種敏感信息,對(duì)當(dāng)前和未來(lái)作業(yè)任務(wù)做出規(guī)劃與預(yù)測(cè),遵循感知、評(píng)價(jià)、決策這樣的認(rèn)知決策過(guò)程,以減少通訊的要求;另一方面是加強(qiáng)UUV 間的局部通訊能力,通過(guò)與附近平臺(tái)的隨時(shí)信息交互,可以快速達(dá)到局部的編隊(duì)最優(yōu)。

    圖4 編隊(duì)隊(duì)形保持技術(shù)Fig.4 The schematic map of formation keeping technology

    目前,UUV集群的智能化技術(shù),在集群優(yōu)化、任務(wù)規(guī)劃與集群編隊(duì)等方面已經(jīng)取得了初步的研究成果。但仍有以下難點(diǎn):(1)水下惡劣的通訊條件一直是限制UUV 集群發(fā)展的主要難題,因此如何在集群協(xié)作中降低遠(yuǎn)距離通訊次數(shù),提高通訊效率,是一個(gè)有前景的研究方向。理論上,分布式任務(wù)規(guī)劃可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),但現(xiàn)階段該方法在實(shí)際工程中仍不夠成熟。(2)受限于復(fù)雜的海洋環(huán)境,相關(guān)的導(dǎo)航控制理論與算法不能及時(shí)的得到驗(yàn)證。因此,需大力發(fā)展UUV 集群實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、測(cè)量方式、任務(wù)度量方法等實(shí)驗(yàn)技術(shù),使相關(guān)理論可以得到有效驗(yàn)證。(3)目前集群的研究主要針對(duì)少數(shù)UUV 的編隊(duì)和協(xié)作控制,這也限制了UUV 集群的發(fā)展?jié)摿?。因此設(shè)計(jì)高效的智能算法,以快速解決大規(guī)模集群中的優(yōu)化問(wèn)題是另一個(gè)重要的研究方向。

    4 水下智能仿生技術(shù)

    水下仿生機(jī)器人是水下無(wú)人系統(tǒng)智能化的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著人類對(duì)海洋環(huán)境的深入探索,開(kāi)發(fā)能夠適應(yīng)復(fù)雜海域并且具有多種功能的水下機(jī)器人的要求愈加迫切。水生生物在漫長(zhǎng)的自然選擇中具有優(yōu)良的靈活性和強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)性,模仿水生生物的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)方式,結(jié)合智能驅(qū)動(dòng)材料,設(shè)計(jì)功能趨近于水下生物的水下仿生機(jī)器人是近些年的重要研究方向。

    設(shè)計(jì)者通過(guò)研究水生生物的運(yùn)動(dòng)機(jī)理,構(gòu)造水下仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)使其實(shí)現(xiàn)特定的運(yùn)動(dòng)形式。水生生物的運(yùn)動(dòng)方式主要分為3 大類[55-56]:身體和/或尾鰭推進(jìn)(Body and/or Caudal Fin,BCF)、中間鰭和/或?qū)捦七M(jìn)(Median and/or Paired Fin,MDF)、噴射推進(jìn)(JET),水下仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)也基本參考這些典型的運(yùn)動(dòng)方式。傳統(tǒng)水下機(jī)器人的電機(jī)螺旋槳驅(qū)動(dòng)方式很難滿足仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)要求,水生生物通常具有柔軟的外形、復(fù)雜多變的運(yùn)動(dòng)方式,可以實(shí)現(xiàn)“無(wú)機(jī)械關(guān)節(jié)的原位”驅(qū)動(dòng)的智能驅(qū)動(dòng)材料成為仿生機(jī)器人的重要選擇。智能驅(qū)動(dòng)材料主要包括形狀記憶合金/聚合物(Shape Memory Alloy/Polymer,SMA/SMP)、壓電陶瓷、離子聚合物金屬?gòu)?fù)合材料(Ionic Polymer-Metal Composites,IPMC),介電彈性體(Dielectric Elastomer,DE)等。使用這些智能驅(qū)動(dòng)材料可以較好地實(shí)現(xiàn)連續(xù)柔性運(yùn)動(dòng),有效達(dá)成水下仿生機(jī)器人模擬水生生物運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)。

    通過(guò)模仿水生生物的運(yùn)動(dòng)方式,近年來(lái)國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了各種水下仿生機(jī)器人,下文將對(duì)這些機(jī)器人進(jìn)行具體介紹。

    4.1 BCF水下仿生機(jī)器人

    波動(dòng)型的BCF 運(yùn)動(dòng)方式常見(jiàn)于帶魚(yú)和鰻魚(yú),是一種類似蛇形運(yùn)動(dòng),通過(guò)全身的起伏波動(dòng)來(lái)進(jìn)行推進(jìn)。中國(guó)科技大學(xué)與南陽(yáng)理工大學(xué)共同開(kāi)發(fā)了以SMA 材料驅(qū)動(dòng)的蛇形機(jī)器人[57],如圖5所示,該機(jī)器人采用聚氨基甲酸酯材料的彈性體連接多個(gè)軀干,彈性體兩側(cè)分別固定一條SMA 作為驅(qū)動(dòng)器,通過(guò)收縮不同側(cè)的SMA 實(shí)現(xiàn)多段軀干的波動(dòng)運(yùn)動(dòng)。東京工業(yè)大學(xué)也開(kāi)發(fā)了以IPMC材料驅(qū)動(dòng)的蛇形機(jī)器人[58],如圖6所示,該機(jī)器人取消了軀干之間的彈性體,而是直接以驅(qū)動(dòng)材料IPMC 制成的薄膜連接各個(gè)軀干,并且在每個(gè)軀干底部附著了魚(yú)鰭以提高驅(qū)動(dòng)效率。

    圖5 SMA材料驅(qū)動(dòng)波動(dòng)型BCF水下蛇形機(jī)器人[57]Fig.5 SMA driven undulatory BCF underwater snake robot[57]

    圖6 IPMC材料驅(qū)動(dòng)波動(dòng)型BCF水下蛇形機(jī)器人[58]Fig.6 IPMC driven undularoty BCF underwater snake robot[58]

    擺動(dòng)型的BCF 運(yùn)動(dòng)方式是最常見(jiàn)的魚(yú)類運(yùn)動(dòng)方式,通過(guò)特殊的驅(qū)動(dòng)方式使軀干左右兩側(cè)不對(duì)稱地交替收縮舒張,在前端產(chǎn)生低壓渦推動(dòng)前行。西班牙馬德里理工大學(xué)研究了一種由SMA 材料驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)器魚(yú)[59],如圖7(a),通過(guò)SMA 驅(qū)動(dòng)鰭實(shí)現(xiàn)柔性魚(yú)骨結(jié)構(gòu)的連續(xù)彎曲從而產(chǎn)生推進(jìn)力。美國(guó)麻省理工學(xué)院設(shè)計(jì)了一種充氣式的仿生機(jī)器魚(yú)[60],如圖7(b),采用硅膠材料制成軀干,通過(guò)對(duì)軀干左右兩側(cè)對(duì)稱分布的氣室交替充氣使兩側(cè)楊氏模量交替變化實(shí)現(xiàn)彎曲運(yùn)動(dòng)。

    圖7 擺動(dòng)型BCF水下仿生機(jī)器人Fig.7 Swinging BCF underwater bionic robot

    4.2 MDF水下仿生機(jī)器人

    MDF 是通過(guò)胸鰭的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)力的一種方式,常見(jiàn)于蝠鲼和鲀科的魚(yú)類,可以細(xì)分為波動(dòng)型和撲動(dòng)型。

    波動(dòng)型的MDF 運(yùn)動(dòng)方式通過(guò)胸鰭的對(duì)稱波動(dòng)實(shí)現(xiàn)前行,通過(guò)調(diào)節(jié)波動(dòng)的頻率、相位以及幅值,實(shí)現(xiàn)水下仿生機(jī)器人的轉(zhuǎn)向操作,穩(wěn)定性較高。美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)仿照蝠鲼胸鰭的波動(dòng)運(yùn)動(dòng),開(kāi)發(fā)了采用IPMC 材料驅(qū)動(dòng)的仿生蝠鲼機(jī)器人[61],如圖8(a)所示,機(jī)器人的一對(duì)胸鰭是由4 片長(zhǎng)條狀的IPMC材料與聚二甲硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)材料無(wú)縫黏合得到的膜,每片IPMC 都可以單獨(dú)控制,通過(guò)產(chǎn)生不同幅值和相位波動(dòng)控制機(jī)器人在水下進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)受烏賊的鰭的波動(dòng)運(yùn)動(dòng)啟發(fā),研究了一種采用SMA驅(qū)動(dòng)材料的水下仿生機(jī)器人[62],如圖8(b)所示,該機(jī)器人的一對(duì)鰭采用了多片等長(zhǎng)的SMA材料作為驅(qū)動(dòng)器,這些驅(qū)動(dòng)器類似烏賊鰭的橫向肌肉纖維,通過(guò)周期性波動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

    圖8 波動(dòng)型MDF水下仿生機(jī)器人Fig.8 Undulatory MDF underwater bionic robot

    撲動(dòng)型的MDF 運(yùn)動(dòng)方式通過(guò)胸鰭的拍動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)力,這種運(yùn)動(dòng)方式的對(duì)稱結(jié)構(gòu)機(jī)器人設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,制造方便,游動(dòng)速度較快,是研究的熱門。浙江大學(xué)的李鐵風(fēng)研究組根據(jù)這種運(yùn)動(dòng)方式研制了采用DE材料驅(qū)動(dòng)的水下仿生機(jī)器人[63],如圖9(a),該機(jī)器人使用硅膠框架作柔性身體,使用硅膠薄膜作魚(yú)鰭,通過(guò)對(duì)中部的DE 驅(qū)動(dòng)材料通電使其收縮舒張帶動(dòng)硅膠框架外變形,從而帶動(dòng)魚(yú)鰭撲動(dòng)前行。北京航空航天大學(xué)開(kāi)發(fā)了以充氣驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)撲翼運(yùn)動(dòng)的水下仿生機(jī)器人[64],如圖9(b),該機(jī)器人有兩根固定的彈性管,通過(guò)充氣使彈性管在徑向擴(kuò)展、軸向收縮,達(dá)到類似肌肉收縮的效果,實(shí)現(xiàn)魚(yú)鰭的撲動(dòng)。

    圖9 撲動(dòng)型MDF水下仿生機(jī)器人Fig.9 Flapping MDF underwater bionic robot

    4.3 JET水下仿生機(jī)器人

    JET 常見(jiàn)于水母和烏賊,這種運(yùn)動(dòng)方式主要通過(guò)類似水泵的裝置進(jìn)行吸排水,通過(guò)迅速排水產(chǎn)生的反沖力驅(qū)動(dòng)水下機(jī)器人前行,這種運(yùn)動(dòng)方式的水下仿生機(jī)器人定向性好、制作方便、加速度也高。

    日本香川大學(xué)研究了使用SMA和IPMC材料共同驅(qū)動(dòng)的仿生水母機(jī)器人[65],如圖10(a),該機(jī)器人主要由頭部、觸手、中間軸和薄膜組成。觸手一端連接頭部,一端連接IPMC 驅(qū)動(dòng)器,通過(guò)IPMC 驅(qū)動(dòng)器的彎曲可以控制機(jī)器人的姿態(tài)。中間軸通過(guò)SMA材料的薄膜與觸手相連,SMA驅(qū)動(dòng)器可以控制機(jī)器人傘體內(nèi)部空間的大小,通過(guò)吸排水實(shí)現(xiàn)推進(jìn)運(yùn)動(dòng)。美國(guó)弗吉尼亞理工學(xué)院進(jìn)一步研究了一種SMA材料驅(qū)動(dòng)的仿生水母機(jī)器人[66],如圖10(b),該機(jī)器人將8 條SMA 和彈簧鋼一起嵌入硅膠中制造水母的傘狀外形,通過(guò)SMA材料的彎曲來(lái)控制內(nèi)腔體積的大小,有效地提高了傳統(tǒng)SMA驅(qū)動(dòng)器形變不足的缺點(diǎn),提高了驅(qū)動(dòng)效率。

    圖10 噴射推進(jìn)仿生水母機(jī)器人Fig.10 Jet-propelled bionic jellyfish robot

    哈爾濱工業(yè)大學(xué)參考烏賊的噴射推進(jìn)方式研究了SMA 材料驅(qū)動(dòng)的仿生噴射機(jī)器人[67],如圖11,該機(jī)器人由仿生外套膜和漏斗組成,仿生外套膜中SMA 絲連接筋條,通過(guò)SMA 絲的變形控制仿生外套膜的收縮和擴(kuò)張,從而實(shí)現(xiàn)噴射運(yùn)動(dòng)。

    當(dāng)前的水下仿生機(jī)器人大多采用SMA、IPMC、DE 等智能驅(qū)動(dòng)材料進(jìn)行仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng),能夠較好地模仿水生生物的柔性連續(xù)運(yùn)動(dòng),并且具有較高的隱蔽性。然而,智能驅(qū)動(dòng)材料本身的特性使得水下仿生機(jī)器人的推進(jìn)力、響應(yīng)速度等性能與傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)水下機(jī)器人仍存在較大的差距,因此對(duì)智能驅(qū)動(dòng)材料進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化以及開(kāi)發(fā)性能更好的智能驅(qū)動(dòng)材料是未來(lái)的一個(gè)主要研究方向。此外,水下仿生機(jī)器人除了驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)采用智能驅(qū)動(dòng)材料外,其余部分大多仍采用剛性結(jié)構(gòu),因此開(kāi)發(fā)大變形、自由度更高的水下仿生機(jī)器人也是未來(lái)的一個(gè)研究方向。

    圖11 SMA驅(qū)動(dòng)的水下仿生噴射機(jī)器人[67]Fig.11 SMA driven underwater bionic jet robot[67]

    4.4 水下仿生機(jī)器人智能化關(guān)鍵技術(shù)

    當(dāng)前國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)的水下仿生機(jī)器人大多采用SMA、IPMC、DE等智能驅(qū)動(dòng)材料進(jìn)行仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng),雖然這些智能驅(qū)動(dòng)材料能夠較好地模仿水生生物的柔性連續(xù)運(yùn)動(dòng),但是普遍存在一些缺點(diǎn)。SMA驅(qū)動(dòng)頻率低,并且其形狀記憶效應(yīng)與溫度變化相關(guān),容易受環(huán)境溫度影響;IPMC 的驅(qū)動(dòng)功率小,導(dǎo)致機(jī)器人的游動(dòng)速度和推力相對(duì)較小;DE需要較大的驅(qū)動(dòng)電壓,并且需要預(yù)拉伸來(lái)發(fā)揮驅(qū)動(dòng)作用,限制了其在更大水域范圍的應(yīng)用。因此,智能驅(qū)動(dòng)材料的機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和材料機(jī)理研究是水下仿生機(jī)器人智能化的關(guān)鍵技術(shù)之一。需要針對(duì)智能驅(qū)動(dòng)材料進(jìn)行驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化,最大限度地提高推進(jìn)速度和效率,并且進(jìn)行材料本身的機(jī)理研究,開(kāi)發(fā)和應(yīng)用性能更好地智能驅(qū)動(dòng)材料,使水下仿生機(jī)器人的適用性更廣。

    智能仿生運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)也是水下仿生機(jī)器人智能化的關(guān)鍵技術(shù)之一。不同于以往采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人,水下仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式多是模擬水生生物的運(yùn)動(dòng)方式,傳統(tǒng)槳舵的運(yùn)動(dòng)控制形式并不適用。針對(duì)BCF、MDF、JET 這三種運(yùn)動(dòng)方式,需要研究更加高效智能的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù),使水下仿生機(jī)器人各方面的運(yùn)動(dòng)性能都更加接近真實(shí)的水生生物,以獲得更好的流體動(dòng)力學(xué)效果,提升運(yùn)動(dòng)速度,實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)性能的優(yōu)化。基于中樞模式發(fā)生器(Central Pattern Generator,CPG)的控制方法模仿動(dòng)物節(jié)律運(yùn)動(dòng)的生物學(xué)控制機(jī)理,可以提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性[68],但目前CPG模型理論基礎(chǔ)仍不完善,并且缺少一個(gè)成熟的針對(duì)指定運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)CPG模型的理論,是智能仿生運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的重要研究方向。

    基于機(jī)器學(xué)習(xí)的自主決策技術(shù)是水下仿生機(jī)器人智能化的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。智能驅(qū)動(dòng)材料的機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和材料機(jī)理、智能仿生運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的研究都是針對(duì)水下仿生機(jī)器人接近水生生物智能運(yùn)動(dòng)模式的關(guān)鍵研究,而基于機(jī)器學(xué)習(xí)的自主決策技術(shù)是使單個(gè)水下仿生機(jī)器人具有全面的環(huán)境認(rèn)知能力、自適應(yīng)能力和自主規(guī)劃能力的關(guān)鍵研究。徐亮等[69]使用深度學(xué)習(xí)研發(fā)了更加通用、穩(wěn)定性更好的機(jī)器魚(yú)目標(biāo)識(shí)別算法,避免了環(huán)境光線的不利影響;林龍信等[70]圍繞波動(dòng)鰭的水下仿生機(jī)器人進(jìn)行了增強(qiáng)學(xué)習(xí)控制方法研究,提出了增強(qiáng)學(xué)習(xí)姿態(tài)鎮(zhèn)定方法和增強(qiáng)學(xué)習(xí)軌跡跟蹤方法,并證明了有效性。通過(guò)融合機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù),使水下仿生機(jī)器人具有類水生生物的水中定位和環(huán)境感知效果,能夠快速適應(yīng)復(fù)雜多變的海洋環(huán)境;并且可以迅速理解任務(wù)并進(jìn)行合理的任務(wù)分解,實(shí)現(xiàn)多任務(wù)和復(fù)雜任務(wù)的智能規(guī)劃決策。

    5 總結(jié)與展望

    水下探索與作業(yè)任務(wù)日趨復(fù)雜,水下對(duì)抗形式在不斷升級(jí),傳統(tǒng)單一的無(wú)人水下航行器已較難高效完成目標(biāo)任務(wù)。水下仿生機(jī)器人可以模擬水下生物的形態(tài),通常體積較小,能夠很好地在復(fù)雜水下環(huán)境中隱藏自己,保證存活;同時(shí),它們使用仿生原理進(jìn)行推進(jìn),能大大節(jié)省能源。這兩種特點(diǎn)使得水下仿生機(jī)器人能更長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行各種危險(xiǎn)任務(wù)。此外,與傳統(tǒng)無(wú)人水下航行器相比,水下仿生機(jī)器人的制造成本也相對(duì)更低,具有高效的作戰(zhàn)效能。另一方面,水下仿生機(jī)器人通常體積較小,單個(gè)機(jī)器人的有效載荷少,所能執(zhí)行的任務(wù)級(jí)別低。而水下集群技術(shù)的出現(xiàn),可以有效彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)。通過(guò)將整體任務(wù)進(jìn)行分解,針對(duì)性地配置不同類型的仿生機(jī)器人執(zhí)行不同子任務(wù),使整個(gè)集群能夠完成各種復(fù)雜且危險(xiǎn)的任務(wù)。而實(shí)現(xiàn)有效集群的關(guān)鍵在于可靠、實(shí)時(shí)的水下通信。如果無(wú)法實(shí)時(shí)有效通信,會(huì)極大影響集群的整體性能,單個(gè)機(jī)器人會(huì)無(wú)法及時(shí)上傳個(gè)體任務(wù)完成情況、確定當(dāng)前集群的任務(wù)總進(jìn)度以及更新任務(wù)目標(biāo),導(dǎo)致整個(gè)集群的任務(wù)失敗。綜上所述,未來(lái)水下無(wú)人系統(tǒng)智能化的關(guān)鍵將集中在水下通信技術(shù)、水下集群技術(shù)和水下智能仿生技術(shù)。

    通過(guò)對(duì)水下無(wú)人系統(tǒng)智能化關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)狀分析,未來(lái)水下無(wú)人系統(tǒng)智能化的研究方向應(yīng)包含以下幾個(gè)方面:(1)提高水下通信的速率和傳輸距離,降低誤碼率,為UUS 智能化提供安全可靠的高速數(shù)據(jù)傳輸通道,同時(shí)研究體積更小、重量更輕、能耗更低、成本更低的通信單元,便于在水下仿生機(jī)器人上的應(yīng)用;(2)引入人工智能技術(shù),提高水下無(wú)人系統(tǒng)的自主性,加強(qiáng)各水下節(jié)點(diǎn)間的局部通訊能力,實(shí)現(xiàn)快速局部最優(yōu)編組,采用分布式優(yōu)化技術(shù),降低水下惡劣的通信條件對(duì)集群控制的影響;(3)研究性能更好的智能驅(qū)動(dòng)材料,開(kāi)發(fā)大變形、自由度更高、成本更低的水下仿生機(jī)器人。

    6 結(jié)束語(yǔ)

    海洋是我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略空間,更是國(guó)家安全的重要屏障。UUS 作為海洋資源探索和海洋防衛(wèi)的重要裝備,是我國(guó)建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的重要組成部分。如今各國(guó)都在大力開(kāi)展UUS 的研制和開(kāi)發(fā),隨著人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展,智能化水下無(wú)人系統(tǒng)是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì),也是我國(guó)實(shí)現(xiàn)彎道超車的突破點(diǎn)。

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