水下微小無人機(jī)集群發(fā)展綜述

吳校生

（上海交通大學(xué) 微米/納米加工技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

0 引言

水下無人機(jī)的工作模式可分為單體模式和集群模式。單體工作模式的水下無人機(jī)（也被稱為水下機(jī)器人）功率大、航速大、航程遠(yuǎn)，攜帶的任務(wù)執(zhí)行器、傳感器、通訊定位器件多，功能全面，自動化程度高，已經(jīng)在海防、水底搜救、水文勘測、故障排查等領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。但單體水下無人機(jī)也存在不足[1]，如：功耗大，需具備強(qiáng)大的能源裝置；魯棒性不強(qiáng)，一旦部件發(fā)生故障則任務(wù)執(zhí)行失??；造價(jià)昂貴，不適合大批量集群布局；體積大帶來隱蔽性差、滲透性不好；要求水下長距離通訊，增大了通訊及定位難度。

近些年來，國內(nèi)外重視開展了水下微小無人機(jī)集群技術(shù)的研究。水下微小無人機(jī)集群通常由幾十上百個(gè)個(gè)體組成，每個(gè)個(gè)體體積小、功耗低、功能單一、造價(jià)便宜。工作時(shí)，個(gè)體之間分散布局在一個(gè)較大的水域，形成水下三維空間大區(qū)域的覆蓋。個(gè)體在集群中的分工明確、協(xié)同工作，非常適合在指定區(qū)域進(jìn)行快速水文搜集、定點(diǎn)通訊中繼、水下故障排查等水下工作[2]。采用集群工作方式具有很大的魯棒性，系統(tǒng)冗余特性能確保個(gè)體出現(xiàn)問題但不影響集群的整體工作[3]。集群模式下的水下無人機(jī)個(gè)體小，具有很好的隱蔽性和滲透性，不易被發(fā)現(xiàn)。由于每個(gè)個(gè)體都可以作為通訊中繼，因此集群可實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的無線水下通訊。

集群模式下可具備集群智慧。自然界中的魚群在捕食、遷徙或是躲避敵害時(shí)常常會呈現(xiàn)集群行為模式。個(gè)體的行為主要由吸引力和排斥力的合力決定，當(dāng)吸引力和排斥力相抵消的時(shí)候，生物界稱之為“平衡距離”。個(gè)體依靠其廣角視覺和敏感的側(cè)線系統(tǒng)，可以獲得高度同步的速度和方向。在集群智慧作用下，集群模式可協(xié)力更好地完成個(gè)體模式實(shí)現(xiàn)不了的強(qiáng)大任務(wù)。

水下微小無人機(jī)集群雖然具有諸多優(yōu)勢，但也存在明顯的不足[4]，如：驅(qū)動力有限，易受水流的影響而失去控制；須有及時(shí)的能量補(bǔ)充等。當(dāng)前，國內(nèi)外針對水下微小無人機(jī)集群開展的研究工作還是起步階段，本文針對這些工作及進(jìn)展進(jìn)行綜述，以供決策參考。

1 水下微小無人機(jī)集群的應(yīng)用

地球陸地面積占地表面積的29%，剩余的71%為水域面積。經(jīng)過數(shù)萬年的文明歷程，人類對陸地的探索較為充分，但受限于技術(shù)手段，人類對水下世界的了解還甚少。地球水下最深的地方是馬里亞納海溝，深度約為11 km，此處的水下壓強(qiáng)約為大氣壓強(qiáng)的1 100倍。業(yè)余潛水員潛入水下40 m的深度時(shí)，單次只能停留幾分種，專業(yè)的潛水員最深能潛到300 m的深度。要想了解更深的水下世界需要借助潛艇或水下機(jī)器人。水下無人機(jī)可以潛入到更深的水下空間進(jìn)行水底地形測繪、海底生物生存狀態(tài)監(jiān)測、礦產(chǎn)資源勘探、海上軍事防御等作業(yè)。通過采用小型的、造價(jià)低廉的水下無人機(jī)組成的集群可增大無人機(jī)水下作業(yè)的覆蓋面積，提高工作效率[5]。水下微小無人機(jī)集群的應(yīng)用非常廣泛[6]，具體敘述如下。

1.1 船舶故障或安全檢查

水下無人機(jī)集群的一個(gè)典型應(yīng)用是艦船反恐檢查。海上安全檢查中一項(xiàng)重要工作是防止恐怖組織在大型商用或民用船艇底部放置附著水雷。當(dāng)海外船只進(jìn)入中國海域并準(zhǔn)備靠岸之前，通常是讓潛水員潛入船底排查，這是一項(xiàng)非常昂貴且危險(xiǎn)的工作，并受天氣條件影響。若采用價(jià)格低廉的水下微小無人機(jī)集群完成這項(xiàng)工作就非常簡單了。通過在被檢查船周圍釋放水下無人機(jī)集群，無人機(jī)集群潛入到船底協(xié)同進(jìn)行故障或安全檢查，集群合作可快速完成任務(wù)。完成任務(wù)后的無人機(jī)集群接到指令后可自行集結(jié)回收。

1.2 海底采礦

在海床上進(jìn)行礦產(chǎn)資源搜尋與采集是水下微小無人機(jī)集群另一個(gè)潛在應(yīng)用。例如：美國發(fā)現(xiàn)在夏威夷島的海床上，由于火山活動造成海床上分布大量的錳結(jié)核礦產(chǎn)資源，錳是一種比較珍貴的礦物質(zhì)。這些錳結(jié)核分布的區(qū)域廣并且處于較深的海域，如果讓潛水員去采集會非常危險(xiǎn)。通過水下微小無人機(jī)集群去完成這項(xiàng)工作會是非常經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方式。

1.3 石油鉆井平臺水下維護(hù)

當(dāng)前，鉆井平臺水下結(jié)構(gòu)的維護(hù)都是通過專業(yè)潛水員或遠(yuǎn)程控制的機(jī)器人去執(zhí)行。專業(yè)潛水員在極大水壓下長達(dá)數(shù)天的水下操作是非常危險(xiǎn)也是繁重的工作，水下微小無人機(jī)集群非常適合應(yīng)用于這種水下機(jī)構(gòu)的清洗、故障微小或其它常規(guī)維護(hù)檢查，這可減少專業(yè)潛水員或遠(yuǎn)程操控水下機(jī)器人的水下作業(yè)量。

1.4 其它應(yīng)用

水下微小無人機(jī)集群還可用于海洋有毒物質(zhì)的搜尋，海底光線的維護(hù)或排查等。在軍事領(lǐng)域，水下微小無人機(jī)集群還可用于水下通訊中繼。水下無人機(jī)集群在水下或水面進(jìn)行組網(wǎng)布局，可用輔助潛艇或其它水下軍用裝備的通訊或定位，提高通訊效率和定位精度。在作戰(zhàn)或敏感海域布局水下微小無人機(jī)集群還可用于封疆或海底偵察等。

2 水下無人機(jī)集群國內(nèi)外的發(fā)展

水下無人系統(tǒng)組網(wǎng)化和協(xié)同化已得到各國的重視。美軍不再強(qiáng)調(diào)追求單個(gè)水下無人平臺功能的最大化、最強(qiáng)化，通過系統(tǒng)集成手段，將單一復(fù)雜系統(tǒng)的功能分布化，通過組網(wǎng)、集群形成分布式作戰(zhàn)能力。水下“集群”作戰(zhàn)通過信息鏈路將水下無人自主系統(tǒng)組網(wǎng)，是實(shí)現(xiàn)能力倍增、更好地解決特定問題的有效途徑。世界各國都在爭相發(fā)展水下無人機(jī)集群技術(shù)。

2.1 歐盟的CoCoRo水下微小無人機(jī)集群[7]

為了研究微小型水下無人機(jī)集群，歐盟于2011年設(shè)立 CoCoRo項(xiàng)目，CoCoRo全稱為 Collective Cognitive Robotics，即集體認(rèn)知機(jī)器人，項(xiàng)目資助經(jīng)費(fèi)為290萬歐元。在該項(xiàng)目資助下，奧地利Graz大學(xué)人工生命實(shí)驗(yàn)室研究人員于2015年9月發(fā)布了由41個(gè)水下機(jī)器人微小個(gè)體組成的當(dāng)時(shí)世界上數(shù)量最多的水下機(jī)器人集群，如圖1所示。他們的研究目標(biāo)：了解機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)是否能夠展示群體認(rèn)知，將該系統(tǒng)形成的群體智能與自然界中的生物集群進(jìn)行比較研究。

CoCoRo機(jī)器人個(gè)體的平面尺度約12 cm，安裝有3個(gè)執(zhí)行驅(qū)動裝置分別控制水平方向上的2個(gè)自由度（平移或繞行）和垂直方向上的1個(gè)自由度（沉?。?。個(gè)體之間采用 LED光信號方式進(jìn)行短距離通訊，同時(shí)輔助有RF通訊和聲吶長距離通訊與定位，個(gè)體還搭載有光學(xué)傳感器、慣性傳感器、壓力傳感器等。

圖1 CoCoRo水下微小無人機(jī)集群Fig. 1 CoCoRo small-size underwater drones swarm

2.2 加州大學(xué) San Diego分校的微小水下探索者（M-AUEs）集群[8]

2017年1月，美國加州大學(xué)San Diego分校報(bào)導(dǎo)了一種個(gè)體體積為1.5 dm3的水下微小無人機(jī)集群，他們稱之為微小水下探索者（Miniature Autonomous Underwater Explorers，簡稱 M-AUEs）。該微小機(jī)器人可模仿海洋浮游生物的行為，他們用了16個(gè)M-AUEs組成的集群進(jìn)行了水下實(shí)驗(yàn)，如圖2所示。

圖2 加州大學(xué)San Diego分校微小水下探索者（M-AUEs）集群Fig. 2 Mini-Autonomous Underwater Explorers（M-AUEs）of California University San Diego

他們在M-AUE上安裝了浮力控制裝置用于控制深度，同時(shí)還搭載了溫度傳感器、壓力傳感器、水聲傳感器、發(fā)光LED、GPS天線、RF信標(biāo)等裝置。在5 h的實(shí)驗(yàn)過程中，16個(gè)M-AUEs組成的集群分布于300 m直徑的海域內(nèi)并隨著洋流漂移，浮力器控制集群10 m水深，集群在海底三維空間內(nèi)采集溫度信息，集群收集到的溫度數(shù)據(jù)為研究洋流對浮游生物生存狀況的影響提供參考。

2.3 美國 Aquabotix公司開發(fā)的 SwarmDiver水下微小無人機(jī)集群[9-10]

美國Aquabotix公司開發(fā)的SwarmDiver水下微小無人機(jī)是近年比較成功的商業(yè)產(chǎn)品。它的長度為 75 cm，重量為 1.7 kg，能達(dá)到的水下深度為50 m，最大航速為8 km/h，最大運(yùn)行時(shí)間150 min，搭載有溫度和壓力傳感器，能以40個(gè)以上個(gè)體的集群模式工作。SwarmDiver于2018年投入市場，目前有Stealth，Nightline和Edge三款產(chǎn)品，單個(gè)售價(jià)1 000～10 000美元不等。據(jù)Aquabotix公司介紹，SwarmDiver可用于海洋環(huán)境監(jiān)控、羽流跟蹤、3D數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)收集、自主聲探等。

圖3 Aquabotix公司開發(fā)的SwarmDiver水下微小無人機(jī)及集群Fig. 3 SwarmDiver underwater drones swarm developed by Aquabotix

SwarmDiver還具有很多軍事用途。從2018年SwarmDiver投入市場到現(xiàn)在1年多的時(shí)間內(nèi)，美國海軍對Aquabotix公司的SwarmDiver做了3次采購合同，分別為：2018年6月美海軍花費(fèi)78 000美元委托Aquabotix采用SwarmDiver協(xié)助海軍搜尋定位水底“未爆炸的軍械”；2019年1月美海軍花費(fèi)70 000美元與Aquabotix簽署第2個(gè)合同，用于向海軍人員展示或測試SwarmDiver性能；2019年5月有報(bào)導(dǎo)美海軍花費(fèi)約 150 000美元用于購買SwarmDiver。此外，SwarmDiver還獲得了澳大利亞海軍的貿(mào)易合同。

2.4 國內(nèi)對水下微小無人機(jī)集群的研究[11]

近些年來，國內(nèi)的一些高?；蜓芯克荚陂_展水下無人機(jī)集群的研究工作，這些高?；蜓芯克ㄖ锌圃荷蜿栕詣踊芯克?、哈爾濱工程大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)等。如：中科院沈陽自動化研究所先后研制了“探索者”、“CR01”、“CR02”、“潛龍一號”、“潛龍二號”一系列航行器，為我國海底金屬硫化物勘探提供了高效、精細(xì)的手段；哈爾濱工程大學(xué)完成了300 kg級自主水下航行器（智水-IV）的研制，實(shí)現(xiàn)了海域110 km的自主航行和自主布防等功能，潛深可達(dá)1 000 m；西北工業(yè)大學(xué)研制了“300 m航深、300 km航程”和“500 m航深、500 km航程”遠(yuǎn)程智能水下航行器，具備航路自主規(guī)劃和安全布放回收功能。

當(dāng)前，國內(nèi)在大型水下航行器方面的研究已經(jīng)處在了世界前沿水平，針對水下集群技術(shù)研究較多，但水下微小型無人機(jī)集群系統(tǒng)的實(shí)踐研究報(bào)導(dǎo)較少。

3 水下無人機(jī)集群的發(fā)展挑戰(zhàn)

與工作在空氣中的無人機(jī)集群不同，水環(huán)境給水下無人機(jī)帶來一系列的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)包括：水環(huán)境下所采用的傳感器，水下的通訊、定位等。[12]

3.1 傳感器技術(shù)及多傳感器數(shù)據(jù)融合

相比于一般無人機(jī)，應(yīng)用于水下無人機(jī)中的傳感器種類要少很多。由于水中的射頻或高頻電磁波不能長距離傳播，因此基于電磁波機(jī)理的傳感器就不能應(yīng)用于水下無人機(jī)中。在水下無人機(jī)中應(yīng)用最多的是壓力傳感器，用于測量水深，還有電子羅盤傳感器。實(shí)際應(yīng)用中，要求這2種傳感器具備好的一致性，即長時(shí)間使用后它們的精度還需要和第一次使用時(shí)的一樣。由于水下沒有 GPS信號，水下的定位或軌跡規(guī)劃通常需借助 IMU（慣性測量單元，即三軸加速度和三軸陀螺）的航位推算技術(shù)，但低成本的MEMS IMU時(shí)間累積誤差會導(dǎo)致較長時(shí)間工作后位置計(jì)算偏差越來越大。為了消除時(shí)間累積誤差，水下無人機(jī)工作一段時(shí)間后需要浮出水面來接收 GPS信號，以更新準(zhǔn)確的位置信息。聲吶傳感器是水下無人機(jī)的另一個(gè)重要器件，它可以單個(gè)工作也可以陣列形式工作。聲吶傳感器可用于測量無人機(jī)與周邊物體之間的距離，還可以用于環(huán)境地圖測繪。水下無人機(jī)通常還搭載有照相系統(tǒng)，用于識別環(huán)境，成像效果好壞在很大程度上取決于水質(zhì)。這些傳感器提供的部分信息是重疊的，數(shù)據(jù)融合算法可利用這些重疊信息來改善測量精度。

3.2 水下通訊

由于電磁波在水下傳播距離極短，傳統(tǒng)的基于電磁波的通訊及定位技術(shù)在水下不能直接應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)電磁波在水下的傳播距離和波長相關(guān)，波長越大（即頻率越?。膫鞑ゾ嚯x越長。因此，為了增大電磁波在水中的傳輸距離，可采用中、低頻聲波。除了采用電磁波通訊外，有的水下無人機(jī)還采用可見光來進(jìn)行光通訊。如，在歐盟開發(fā)的CoCoRo集群中，它們用 LED燈發(fā)出的光強(qiáng)或閃爍頻率來和周邊無人機(jī)進(jìn)行信息傳播。測試發(fā)現(xiàn)，這種光通訊數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)到119 kbs。光在水下的傳播距離也不會太長，受水質(zhì)影響較大。CoCoRo中不僅僅采用光通訊，它還采用了聲通訊。很多海洋生物都是采用聲通訊方式來實(shí)現(xiàn)個(gè)體之間的信息交流。聲通訊傳播的距離遠(yuǎn)，但它也存在一些不足，如經(jīng)物質(zhì)反射回來的聲波會對原始聲波產(chǎn)生干擾；聲波頻率較低，導(dǎo)致它的數(shù)據(jù)傳輸率會很低，低至30 bit/s。

3.3 集群控制理論

集群工作時(shí)，集群算法能確保集群執(zhí)行任務(wù)的效率和行動的一致性，通常采用的算法是共識控制（Consensus Control）。在集群控制中，最簡單的辦法是中央控制，即有一個(gè)主控制無人機(jī)，主控制無人機(jī)控制著成員的行為，這要求主機(jī)與成員之間時(shí)刻保持好的通訊，這在水下環(huán)境中很難做到。因此，有人提出去中心化控制系統(tǒng)，如同區(qū)塊鏈技術(shù)。在去中心化控制系統(tǒng)中，不存在主控制成員，因此大大減輕了通訊壓力，集群中個(gè)體只需定位其周邊鄰居個(gè)體位置，通訊也是鄰居之間發(fā)生的。共識控制就是這種去中心控制方法，通過相鄰個(gè)體之間的信息傳遞，集群中每個(gè)個(gè)體能實(shí)時(shí)知道集群中所有個(gè)體分享的位置、任務(wù)、運(yùn)動等信息。

4 水下微小無人機(jī)集群發(fā)展趨勢分析

縱觀國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，水下無人機(jī)集群在以下3方面必將得到長足發(fā)展[13-14].

1）延長水下工作時(shí)間。水下無人機(jī)的典型應(yīng)用是海洋觀察和搜集科學(xué)數(shù)據(jù)，這通常要求無人機(jī)能夠在更大的空間范圍和更長的工作時(shí)間持久地對海洋進(jìn)行調(diào)查。無螺旋槳驅(qū)動模式成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，如：近些年開發(fā)的水下滑翔機(jī)通過調(diào)節(jié)浮力和機(jī)翼來產(chǎn)生浮力，以保持在水下的滑翔運(yùn)動。另外，一些新的能量采集技術(shù)也可被用于水下無人機(jī)，用于補(bǔ)充能量延長工作持續(xù)時(shí)間。采集的能量來源很廣泛，包括：洋底的熱能、洋面的太陽能、洋流能、波浪能、生物能等。

2）仿生水下微小無人機(jī)。經(jīng)過億萬年的進(jìn)化，水下生物具有最優(yōu)化的流體動力學(xué)外形和運(yùn)動機(jī)制，仿造具有水下生物外形和運(yùn)動機(jī)構(gòu)的水下無人機(jī)可獲得最佳的工作效率。各種類型的微小水下機(jī)器人被廣泛研究，如：機(jī)器魚、螃蟹、蛇、龜?shù)?。?dāng)前，這些研發(fā)的仿生水下機(jī)器人性能還不足夠好，還不能實(shí)際應(yīng)用，但它們具有優(yōu)越的隱蔽性，在軍事及海洋生物調(diào)查等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。隨著新能源、新材料技術(shù)的發(fā)展，仿生水下機(jī)器人及其集群必將會得到廣泛和長遠(yuǎn)地關(guān)注。

3）智能化。近些年來發(fā)展得如火如荼的人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將會應(yīng)用到水下無人機(jī)集群，以提高個(gè)體的自動化、環(huán)境認(rèn)知能力及形成群體智慧。遙控水下無人機(jī)（ROV）和自制水下無人機(jī)（AUV）幾乎是同時(shí)被提出的，但 AUV受制于人工智能、自動控制、傳感等技術(shù)，還不能完全替代ROV，AUV和 ROV還將長期存在。當(dāng)前，ROV比較擅長于小區(qū)域的精細(xì)水下作業(yè)，AUV可進(jìn)行長距離大范圍水下搜尋和探測。環(huán)境認(rèn)知能力可以幫助水下無人機(jī)避障、路徑規(guī)劃、識別特定目標(biāo)物。隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，水下無人機(jī)的環(huán)境認(rèn)知能力必將大大提升，可通過環(huán)境信息及群體知識來辨別未知物體或環(huán)境。集群智慧是水下無人機(jī)集群智能化的另一個(gè)體現(xiàn)，水下集群智慧依賴于水下通信網(wǎng)絡(luò)。水下聲通信技術(shù)的發(fā)展為水下無人機(jī)集群智慧的獲取提供有力的技術(shù)保障。

5 結(jié)束語

相比于傳統(tǒng)水下無人機(jī)，微小無人機(jī)集群具有造價(jià)便宜、滲透性強(qiáng)、系統(tǒng)糾錯能力強(qiáng)、可采用集群智慧來工作等特點(diǎn)，其在船艦維修、安全檢查、海底采礦、設(shè)施維護(hù)等領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景，已得到廣泛關(guān)注。美國、歐盟等國家或地區(qū)相繼開發(fā)了多款微小型水下無人機(jī)集群，并成功地應(yīng)用在海洋生物生存環(huán)境的數(shù)據(jù)采集、水下目標(biāo)搜索等領(lǐng)域。這些集群的個(gè)體尺寸大多不超過1 m，有的甚至更小，個(gè)別微小無人機(jī)集群已經(jīng)完成了商業(yè)化生產(chǎn)，并得到軍方應(yīng)用。水下微小無人機(jī)集群很多技術(shù)還需要進(jìn)一步發(fā)展與完善，如搭載的傳感器、驅(qū)動器的可靠性提高，水下通訊與定位技術(shù)等。隨著這些關(guān)鍵技術(shù)的成熟，水下微小無人機(jī)集群的應(yīng)用空間會更加寬廣。

水下無人機(jī)的小型化、價(jià)格低廉這些特性有利于它的民用化，如同空中飛行的微小無人機(jī)，相信在不久的將來必會掀起新的一輪水下無人機(jī)應(yīng)用高潮。為了趕上這個(gè)領(lǐng)域中的創(chuàng)新前沿，政府機(jī)構(gòu)在政策上需足夠重視，加強(qiáng)投資與引導(dǎo)，這樣才能確保我國未來在該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。