張偉， 王乃新， 魏世琳， 杜雪， 嚴(yán)浙平

(哈爾濱工程大學(xué) 自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

摘 要：隨著水下無人潛航器技術(shù)的發(fā)展和日漸成熟，單一水下無人潛航器已不能滿足需求的發(fā)展，這就使多水下無人潛航器以集群的形式互相協(xié)作執(zhí)行任務(wù)成為了水下無人潛航器發(fā)展的必然趨勢。本文從軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域兩方面介紹了國外主要水下無人潛航器集群項目，包括項目設(shè)立目標(biāo)和發(fā)展情況；分析了水下無人潛航器集群的一些關(guān)鍵技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，主要包括集群智能控制、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、任務(wù)規(guī)劃、路徑規(guī)劃、編隊控制和導(dǎo)航定位等方面；最后對水下無人潛航器集群系統(tǒng)發(fā)展做出展望。

關(guān)鍵詞：水下無人潛航器集群；集群智能；路徑規(guī)劃；任務(wù)規(guī)劃；編隊控制；通信網(wǎng)絡(luò)；關(guān)鍵技術(shù)；導(dǎo)航定位

水下無人潛航器(unmanned underwater vehicle，UUV)從20世紀(jì)60年代[1]誕生以來，經(jīng)歷了很大的發(fā)展。從最初的遙控潛器 (remolely operated underwater vehicle,ROV) 發(fā)展到無人無纜并有一定自主性的AUV (autonomous underwater vehicle)。AUV不依賴母船提供動力、機(jī)動性強(qiáng)、活動范圍大、作業(yè)效率高等特點[1]使其逐步成為各國研究者的主要研究對象，其各項技術(shù)得到了很好的發(fā)展，并在海洋資源勘探、偵查監(jiān)視、反潛等民用和軍事領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。

隨著UUV技術(shù)日漸成熟，它所面臨的任務(wù)的難度和復(fù)雜度也有很大提升，單一UUV已不能滿足需求的發(fā)展。這就使多UUV以集群的形式互相協(xié)作執(zhí)行任務(wù)成為了UUV發(fā)展的必然方向，同時也對UUV任務(wù)規(guī)劃、路徑規(guī)劃等關(guān)鍵技術(shù)提出了新的要求，并促進(jìn)了集群智能、編隊控制等適應(yīng)集群發(fā)展方向的技術(shù)的應(yīng)用。

相比于單體UUV，集群有以下突出優(yōu)勢[2]：1) 集群系統(tǒng)利用單體自主性能夠?qū)崿F(xiàn)集體決策以及群體級穩(wěn)態(tài);2) 集群系統(tǒng)可擴(kuò)展性很高，個別群內(nèi)成員的增減不會對系統(tǒng)造成決定性影響;3)由于集群系統(tǒng)具有高度可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性，所以集群系統(tǒng)魯棒性較強(qiáng)；4) 集群相比于個體最突出的特點是能夠完成個體無法獨自完成的任務(wù)。本文將重點介紹UUV集群的發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)，為其將來的發(fā)展提供參考。

1 主要的UUV集群項目

1.1 軍事領(lǐng)域

各國對UUV的研究正在向集群化的方向發(fā)展，并已被應(yīng)用在軍事領(lǐng)域。2016年英國在“Unmanned warrior” 軍事演習(xí)中直觀的展現(xiàn)了UUV集群在軍事作戰(zhàn)中的關(guān)鍵作用和未來潛力。

1.1.1 持續(xù)瀕海水下監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)項目 (PLUSNet)

PLUSNet (persistent littoral undersea surveillance network) [3]是由美國海軍研究辦公室 (ONR)贊助的一個多機(jī)構(gòu)合作項目，旨在推進(jìn)沿海監(jiān)控技術(shù)發(fā)展，目標(biāo)是探測和跟蹤燃油潛艇。該項目使用固定和移動水下平臺，包括具有檢測系統(tǒng)的底部節(jié)點，具有拖曳陣列的UUVs，以及帶有聲學(xué)和環(huán)境傳感器的水下滑翔機(jī)。節(jié)點組織成集群，與其他集群協(xié)同工作，進(jìn)行大范圍的行動。除檢測、分類和跟蹤等基礎(chǔ)功能外，該項目還在自主性、環(huán)境適應(yīng)性和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3個關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得了研究進(jìn)展。

1.1.2 協(xié)作自主的分布式偵察與探測系統(tǒng)(CADRE)

CADRE (cooperative autonomy for distributed reconnaissance and exploration)[4]系統(tǒng)是協(xié)調(diào)水下無人航行器的異構(gòu)集合的框架，用于自主執(zhí)行面向目標(biāo)的任務(wù)。該系統(tǒng)的開發(fā)旨在解決美國海軍UUV總體規(guī)劃中提出的海底搜索和調(diào)查 (undersea search and survey, USS) 以及通信與導(dǎo)航救援 (communications and navigation aid, C/NA) 功能， 其關(guān)鍵屬性是可擴(kuò)展性和模塊化。

CADRE系統(tǒng)包括一個自主水下航行器網(wǎng)絡(luò) (AUV，也稱UUV) 和自主水面航行器 (ASV)，它們自主地同時進(jìn)行廣域海底反水雷 (MCM) 偵查，同時保持高精度導(dǎo)航和定位。多模式通信架構(gòu)在CADRE系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，允許系統(tǒng)中的UUV彼此之間還有與各種支持平臺保持聯(lián)系。

CADRE系統(tǒng)在海底地 雷對抗任務(wù)的背景下開發(fā)，因此對該系統(tǒng)進(jìn)行了2個關(guān)鍵反水雷任務(wù)方案的驗證：1) (365.6～914) m×20 nmile的狹長區(qū)域(如圖1所示)；2) 10 nmile×10 nmile的廣域范圍。2種方案均在保持嚴(yán)格的導(dǎo)航精度和協(xié)同定位要求的前提下進(jìn)行。

1.2 民用領(lǐng)域

1.2.1 Cocoro自主水下航行器集群

2011年，奧地利Ganz人工生命實驗室的研究人員發(fā)布了當(dāng)時世界上最大的水下無人航行器集群：CoCoRo自主水下航行器集群[5]。該項目由歐盟資助，Thomas Schmickl領(lǐng)導(dǎo)，由41個UUV組成，可以協(xié)同完成任務(wù)，其主要目的是用于水下監(jiān)測和搜索。該集群系統(tǒng)在其行為潛力方面具有可擴(kuò)展性，可靠性和靈活性。研究人員通過受到行為學(xué)和心理學(xué)啟發(fā)的實驗來研究集體自我認(rèn)知，從而允許量化集體認(rèn)知。

   

圖1 CADRE系統(tǒng)概念圖
Fig.1 Concept diagram of CADRE system

1.2.2 WiMUST-用于地震勘測的AUV艦隊

WiMUST[6](widely scalable mobile underwater sonar technology) 項目旨在設(shè)計和測試協(xié)作自主水下航行器系統(tǒng)以簡化地震勘測并提供相比于現(xiàn)代拖纜方式的顯著優(yōu)勢。WiMUST系統(tǒng)的主要新穎之處在于使用海洋機(jī)器人來捕獲地震數(shù)據(jù)而不是傳統(tǒng)的拖纜。

項目利用UUV集群牽引小型孔徑短拖纜。UUV充當(dāng)可重新配置的移動聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)的感測和通信節(jié)點，并且整個系統(tǒng)表現(xiàn)為用于記錄數(shù)據(jù)的分布式傳感器陣列，數(shù)據(jù)通過支持船裝備的聲源射向海床和海底地層的強(qiáng)聲波而獲得，如圖2所示。

   

圖2 WiMUST系統(tǒng)工作方式
Fig.2 Work mode of WiMUST system

1.2.3 歐盟Grex項目

由歐盟資助的研發(fā)項目GREX[7](2006-2009)促進(jìn)了多航行器協(xié)作的理論方法和實用工具的發(fā)展，縮小了概念與實踐之間的差距。由該項目資助研發(fā)的技術(shù)一方面通用性很強(qiáng)，連接預(yù)先存在的異構(gòu)系統(tǒng)。另一方面魯棒性很強(qiáng)，能夠應(yīng)對由通信錯誤引起的問題。

2008年夏天至2009年末，該項目針對“協(xié)調(diào)路徑跟蹤”和“合作視線目標(biāo)追蹤”任務(wù)進(jìn)行了3次海上試驗。航行器間使用預(yù)設(shè)的時分媒體訪問 (time division medium access, TDMA) 同步架構(gòu)交換導(dǎo)航數(shù)據(jù)，允許每分鐘5次交換大約20 Bytes的壓縮數(shù)據(jù)包，同時避免數(shù)據(jù)包沖突。在有效通信條件下實現(xiàn)了編隊航行 (如圖3所示) 和向指定目標(biāo)聚集等任務(wù)。

   

圖3 4架航行器的編隊航行軌跡
Fig. 3 Formation trace of 4 UUV

除去以上項目以外，還有很多其他已經(jīng)取得成功或仍在進(jìn)行中的UUV集群項目：如美國海洋研究局資助的自主海洋采樣網(wǎng)絡(luò) (autonomous ocean sampling network, AOSN)[8]；美國新澤西海灣布設(shè)的大陸架觀測系統(tǒng) (the new jersey shelf observing system) [9]；由歐洲委員會資助啟動的Co3-AUV自主水下航行器的協(xié)同認(rèn)知控制項目[10]；由北約水下研究中心和麻省理工學(xué)院完成的通用海洋陣列技術(shù)聲吶 (generic ocean array technology sonar, GOATS)[11]項目; 英國 Nekton 研究機(jī)構(gòu)開發(fā)的水下多智能體平臺 (underwater multi-agent platform, UMAP)[12]等項目。

通過分析以上項目實例可以發(fā)現(xiàn)，國外的UUV集群項目以實用性為主，從實際應(yīng)用角度出發(fā)，提出所面臨的問題，并通過理論結(jié)合實踐的方式尋找解決辦法；項目研究更側(cè)重系統(tǒng)穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性的研究，在此基礎(chǔ)上去尋找實現(xiàn)概念設(shè)想的方法。

2 UUV集群發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)

2.1 集群智能控制算法

集群智能控制算法是集群系統(tǒng)的核心技術(shù)，是控制各個單體活動并能將它們聯(lián)系起來形成一個系統(tǒng)合作執(zhí)行任務(wù)的關(guān)鍵。受自然界群體行為的啟發(fā)，已有很多智能控制算法被提出，但是由于海底復(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發(fā)仍是未來UUV集群發(fā)展的關(guān)鍵所在。

現(xiàn)階段對集群控制算法的研究主要還是集中于對已有智能算法的改進(jìn)，例如嚴(yán)浙平[13]在已有單、多智能體強(qiáng)化算法的基礎(chǔ)上，提出一種融合了Nash—Q、CE—Q及WoLF—PHC等算法主要思想的多智能體Q學(xué)習(xí)算法，并將這種算法用于多AUV系統(tǒng)的控制。另外，集群控制算法的研究通常都是針對某一特殊任務(wù)或者目標(biāo)，引入智能算法以達(dá)到優(yōu)化控制器的目的。例如文獻(xiàn)[14-19]分別針對UUV集群的路徑跟蹤、編隊控制和協(xié)同圍捕等問題，將適合的智能算法引入到海洋環(huán)境中，并根據(jù)不同問題所存在的不同客觀條件對算法進(jìn)行一定的改進(jìn)。以上方法基本概括了目前主流的UUV集群智能算法研究方法：將已有智能控制算法針對海洋環(huán)境和特定任務(wù)進(jìn)行改進(jìn)，比較常用于集群控制的算法有：蟻群算法[20-21]、人工勢場法[22]、粒子群算法[23]；另外強(qiáng)化學(xué)習(xí)和機(jī)器學(xué)習(xí)等方法[24-27]也一直有學(xué)者對其進(jìn)行集群控制應(yīng)用方面的研究。UUV集群發(fā)展相對較晚，改進(jìn)已有算法是一種效率較高的方法，但不應(yīng)該局限于此，文獻(xiàn)[28]提出了一種模塊化、可擴(kuò)展的應(yīng)用于異構(gòu)多UUV編隊協(xié)調(diào)問題的架構(gòu)。文獻(xiàn)中對硬件擴(kuò)展時的軟件配合擴(kuò)展升級的研究是值得參考的研究方向。海洋環(huán)境的復(fù)雜性給UUV的研究增加了很多限制和挑戰(zhàn)，同時也為UUV研究創(chuàng)造了更多的可能性，在參考已有研究成果的同時應(yīng)該根據(jù)具體情況和相關(guān)理論知識探索更適合的智能控制算法。

2.2 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

遠(yuǎn)距離通信、大容量通信、高質(zhì)量通信、強(qiáng)抗干擾性和保密性是對UUV通信系統(tǒng)的基本使用要求。目前UUV的主要通信方式有：光纜通信、衛(wèi)星通信、無線電通信和水聲通信。其中水聲通信由于其衰減慢可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離水下通信的特點最適用于UUV集群中成員間的相互通信。但是水聲通信存在帶寬有限和傳輸速度慢且信道不穩(wěn)定等缺點，有通信延遲和數(shù)據(jù)丟包等問題。因此在特定的環(huán)境條件限制以及沒有更好的通信手段的情況下，通信網(wǎng)絡(luò)的合理設(shè)計是一種提高水下UUV集群間相互通信效率和可靠性，從而更好地協(xié)作完成任務(wù)的可行方法。

針對水聲通信的各種缺點和海洋中的客觀不利條件，在已有的硬件條件基礎(chǔ)上，仍可對通信效果進(jìn)行可觀的改善，達(dá)到節(jié)約能耗、減少數(shù)據(jù)丟包通信延遲帶來的影響等目的。主要方法有：改變通信拓?fù)鋄29-30]、設(shè)計更高效的通信協(xié)議[31]、改變通信模式[32]等。近些年比較有代表性的研究有：文獻(xiàn)[29]針對水聲信道不穩(wěn)定，存在時間延遲以及海洋背景噪聲的問題，提出了一種基于Markov隨機(jī)過程的雙層獨立變換通信拓?fù)洌ㄟ^雙層獨立結(jié)構(gòu)和不斷切換的拓?fù)浯_保編隊中全部潛航器都可以實現(xiàn)通信覆蓋，并分析了在此變換拓?fù)錀l件下潛航器編隊收斂的條件；在此基礎(chǔ)上，嚴(yán)浙平等[33]又提出了有效的通信拓?fù)錂?quán)重 (communication topology effective weight)的概念以更好地表示受噪聲干擾的通信信息的有效性。

2.3 任務(wù)分配

任務(wù)分配是隨著集群技術(shù)發(fā)展最早被研究的技術(shù)之一，任務(wù)分配的研究對象日益復(fù)雜，分配的任務(wù)也多樣化。現(xiàn)階段任務(wù)分配方法根據(jù)對應(yīng)集群的控制方式不同主要分為集中式分配和分布式分配2種。

1) 集中式任務(wù)分配。這種分配方式需要各UUV將自身環(huán)境信息與執(zhí)行任務(wù)的代價函數(shù)信息傳輸給控制中心，控制中心權(quán)衡各UUV和任務(wù)情況進(jìn)行合理分配。這種方式高度依賴通信，且作為控制中心的UUV計算負(fù)擔(dān)重。文獻(xiàn)[34]基于增加了延時的petri網(wǎng)對多UUV系統(tǒng)任務(wù)分配問題建模，提出了集中式和分布式相結(jié)合的任務(wù)分配方式：任務(wù)由主UUV發(fā)布，各從UUV結(jié)合自身約束條件選擇是否接受任務(wù)。文獻(xiàn)[35]在高延遲和不可靠的通信條件下，描述了一種使用k均值聚類的高效集中式任務(wù)分配機(jī)制，該機(jī)制在信息數(shù)據(jù)包錯誤率達(dá)到80%時仍能完成任務(wù)分配；

2) 分布式任務(wù)分配。這種分配方式并不是將決定權(quán)完全交給單體UUV，而是給各個成員一定的自主決策權(quán)力，成員可根據(jù)局部信息按某些規(guī)則進(jìn)行局部任務(wù)分配，有對通信依賴小、執(zhí)行速度快的特點，但由于成員不能掌握整體信息，各UUV間可能存在競爭關(guān)系。分布式任務(wù)分配比較常用的方法是合同網(wǎng)算法[36-38]和SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[39-42]。合同網(wǎng)算法是一種談判協(xié)調(diào)，通過模仿經(jīng)濟(jì)行為的“招標(biāo)— 投標(biāo)—中標(biāo)”機(jī)制來實現(xiàn)任務(wù)分配，具有并行計算、分布式通信、可擴(kuò)展性和魯棒性等特點。SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實質(zhì)上是一種競爭性學(xué)習(xí)方法，相比于合同網(wǎng)方法，由于沒有前者的協(xié)商機(jī)制，成員間的競爭會更多。這種方法適用于多UUV對應(yīng)于多目標(biāo)任務(wù)的情況，其核心是分別以目標(biāo)任務(wù)和UUV對應(yīng)SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出量，任務(wù)間通過競爭計算對應(yīng)到不同的UUV，通過這種方式控制UUV到達(dá)指定位置完成指定任務(wù)。

任務(wù)分配的核心目的是將集群的優(yōu)勢最大化，通過合理分配任務(wù)給不同的執(zhí)行者，使任務(wù)執(zhí)行時間最少或能耗最小。集中式任務(wù)分配理論上可以通過通信協(xié)商找到最合理的分配方式，但是通信本身不可靠，且通信本身也會浪費掉一些時間和能量；與此相比分布式雖然不能得到最優(yōu)解，但是它的優(yōu)勢是能夠根據(jù)局部信息更快的作出反應(yīng)。因此在應(yīng)用時通常是根據(jù)實際需求將2種方法結(jié)合起來，才能發(fā)揮比較理想的效果。

2.4 路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃問題是指在航行器工作環(huán)境中，按照一定的評價標(biāo)準(zhǔn)(耗能最少、路線最短、時間最少等)為UUV尋找一條安全到達(dá)目標(biāo)點的最優(yōu)路徑。將該技術(shù)拓展到集群中，對控制和算法設(shè)計提出了更高的要求。路徑規(guī)劃首先要考慮的是安全問題，這是UUV到達(dá)目標(biāo)的前提，因此避碰(包括集群內(nèi)部成員避碰和避開障礙物)是此類問題中必須考慮的問題[43-45]。其次進(jìn)行規(guī)劃前要先定義規(guī)劃的最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)，不同標(biāo)準(zhǔn)利用的方法也有所不同，例如文獻(xiàn)[46]將TSP問題(travelling salesman problem)與蟻群算法結(jié)合尋找UUV集群最短路徑；而文獻(xiàn)[47]則針對存在時變洋流影響的多AUV系統(tǒng)，將完成任務(wù)的時間最短作為規(guī)劃目的并采用動態(tài)規(guī)劃算法來實現(xiàn)。另外在規(guī)劃完成后還要對路徑的可行性進(jìn)行驗證，避免無效路徑的產(chǎn)生并排除可能存在的不穩(wěn)定因素[48-49]。

2.5 編隊控制

某些多UUV任務(wù)中，UUV以編隊形式集體移動。編隊控制就是一種控制一組UUV在任務(wù)需要時沿著所需路徑移動的技術(shù)，同時保持所需的隊形，并適應(yīng)環(huán)境約束：如障礙物，有限的空間，洋流和通信約束。對空中飛行器的編隊控制的研究相比于水下UUV編隊要成熟，但是由于水下特殊環(huán)境的限制，空中飛行器編隊控制算法不能直接移植到多UUV控制中，因此多UUV編隊控制技術(shù)是集群研究的焦點之一。目前主要的編隊控制方法分為以下幾種：虛擬結(jié)構(gòu)方法、領(lǐng)航者-跟隨者方法和人工勢場法。

1)虛擬結(jié)構(gòu)方法。

為了在多個機(jī)器人之間形成和保持某種幾何形狀，引入了形成的剛性結(jié)構(gòu)作為參考，其中機(jī)器人的整體表現(xiàn)像是嵌入剛性結(jié)構(gòu)中的粒子，這種方法就是虛擬結(jié)構(gòu)法 (virtual structure， VS)。虛擬結(jié)構(gòu)按預(yù)定軌跡航行，算法反復(fù)計算UUV與虛擬結(jié)構(gòu)的誤差并進(jìn)行調(diào)整，同時保持各UUV之間的剛性幾何關(guān)系，直到UUV到達(dá)所需隊形。這種編隊控制方式被廣泛應(yīng)用于飛行器編隊，但在UUV集群中的研究還很少。文獻(xiàn)[50]提出了虛擬領(lǐng)航者的編隊結(jié)構(gòu)，由于編隊領(lǐng)航者是虛擬的，因此它具有準(zhǔn)確的位置信息，基于虛擬引導(dǎo)的準(zhǔn)確位置，可以獲得UUV在編隊中的預(yù)期位置，但是只研究了2D的情況，3D的編隊控制還有待研究。

2)領(lǐng)航者-跟隨者方法。

在領(lǐng)航者-跟隨者方法中，基本思想是領(lǐng)航者跟蹤預(yù)定義的參考軌跡，跟隨者根據(jù)預(yù)定義的方案跟蹤領(lǐng)者航的狀態(tài)。其最大優(yōu)點是易于理解和實現(xiàn)，但是，跟隨者對領(lǐng)航者沒有明確的反饋意見，領(lǐng)導(dǎo)者的失敗將導(dǎo)致整個編隊的失敗。這種方法在UUV編隊控制研究中的應(yīng)用比較多，在此結(jié)構(gòu)前提下研究的方向主要集中在2方面：1)在復(fù)雜環(huán)境中的隊形變換和避障。如文獻(xiàn)[51-52]分別研究了在面對不同環(huán)境時采用不同的隊形變換方法達(dá)到通過特定區(qū)域和避障的目的；2)編隊穩(wěn)定性研究。穩(wěn)定性包括編隊成員能否準(zhǔn)確保持在隊形指定位置和編隊在復(fù)雜環(huán)境中的魯棒性。如文獻(xiàn)[53-54]提出了一種欠驅(qū)動多UUV主從式編隊在領(lǐng)航UUV速度不確定時的控制方法，構(gòu)建了收斂于從UUV軌跡的虛擬UUV，然后用反步法和李雅普諾夫法分析設(shè)計了跟隨者的位置跟蹤控制，使跟隨者能準(zhǔn)確跟隨領(lǐng)航者。

3)人工勢場法。

人工勢場概念由Khatib[55]提出。這種方法的基本思想是航行器在力場中移動，其類似于由正電荷和負(fù)電荷產(chǎn)生的電場。要達(dá)到的位置對航行器產(chǎn)生吸引力，障礙產(chǎn)生排斥力，使得航行器可以沿著潛在場地的方向移動。這種方法通常都是與其他方法共同使用，在遇到障礙或者需要隊形變換時提供輔助指向力。文獻(xiàn)[56-57]分別將反步法和虛擬結(jié)構(gòu)法與人工勢場法結(jié)合實現(xiàn)多UUV編隊控制，以達(dá)到隊形保持和避障的目的。

除去以上3種常用方法，利用一致性理論對UUV進(jìn)行編隊控制[29，58]，也是近期的研究熱點。多智能體一致性是指各智能體根據(jù)預(yù)先約定的協(xié)議，使指定的狀態(tài)達(dá)到一致。但是這種方法仍然很依賴通信，不能擺脫水下通信受限對編隊控制的影響。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，還沒有具體的應(yīng)用實例。

2.6 導(dǎo)航定位

由于UUV通常需要長時間在大范圍海域執(zhí)行任務(wù)，而且通常UUV體積不大，所以所攜帶能源和質(zhì)量等均受到一定的限制。這種客觀條件限制以及隱蔽性和水下特殊環(huán)境等因素綜合導(dǎo)致多UUV精確導(dǎo)航定位的實現(xiàn)是一項非常艱巨的任務(wù)。多UUV協(xié)同導(dǎo)航定位主要有2種方式[59]：1)每個UUV配備的導(dǎo)航裝備相同，互相通過水聲通信獲得系統(tǒng)中其他UUV的位置信息的并行方式；2)采用少量UUV配備高精度導(dǎo)航設(shè)備為其他UUV提供精確相對定位信息，其他UUV利用這種相對定位信息修正自身定位誤差的領(lǐng)航方式。并行式的結(jié)構(gòu)簡單，但每個UUV都裝備高精度導(dǎo)航設(shè)備，成本將成倍增加。而領(lǐng)航式則兼顧了精度和成本且能夠適用于不同的使用區(qū)域和環(huán)境，是當(dāng)今多UUV導(dǎo)航定位的重點研究方向。

多UUV協(xié)同導(dǎo)航精度的提高主要需要從UUV內(nèi)部影響因素、各UUV間的影響因素以及整個UUV協(xié)同系統(tǒng)等多方面進(jìn)行考慮。主要涉及到以下3方面問題[60]：1)精確建立協(xié)同導(dǎo)航模型以及協(xié)同導(dǎo)航算法的開發(fā)；2)對協(xié)同導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)中的誤差因素的補(bǔ)償(如通信延遲、洋流等)；3)對協(xié)同導(dǎo)航系統(tǒng)中的編隊構(gòu)型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

1)建模與算法。

卡爾曼濾波是協(xié)同導(dǎo)航算法中最常見也最基本的方法之一，國內(nèi)外學(xué)者圍繞這一算法做了大量相關(guān)工作[61-65]。其中文獻(xiàn)[62]針對EKF算法存在截斷誤差和計算繁瑣等問題提出了使用sigma點卡爾曼濾波(SPKF)的協(xié)同定位方法；Gianluca Antonelli等則推導(dǎo)出了確保線性化模型的可觀察性和非線性模型的局部弱可觀測性的條件，然后設(shè)計擴(kuò)展卡爾曼濾波器估計2個AUV之間的相對位置。協(xié)同導(dǎo)航算法的設(shè)計和改進(jìn)都是建立在準(zhǔn)確建模的基礎(chǔ)上的，如文獻(xiàn)[66]中的雙偽測量的數(shù)學(xué)模型、文獻(xiàn)[63]建立的從UUV非線性導(dǎo)航模型等。

2)誤差補(bǔ)償。

導(dǎo)航誤差的產(chǎn)生有很多原因，主要包括3大類：洋流干擾、量測誤差、通信時延。

針對洋流干擾問題，張立川、劉明雍等[67-68]設(shè)計協(xié)同定位濾波算法對洋流干擾進(jìn)行估計；并通過非線性極小平方優(yōu)化模型求解UUV和洋流的初始量，提高初始精度等方式補(bǔ)償洋流影響下的UUV定位誤差。

針對量測誤差問題，李聞白[69]利用擴(kuò)展卡爾曼濾波方法建立了單領(lǐng)航者導(dǎo)航系統(tǒng)的整體定位誤差與相對位置量測誤差間的傳遞方程。盧健等[70]根據(jù)水聲通信的特點提出了一種相關(guān)性假設(shè)并提出了誤差修正算法 (ECA)，在設(shè)定條件下利用誤差間的相關(guān)性抵消量測誤差，從而實現(xiàn)量測的粗估計。

水聲通信時延問題是UUV集群研究不可避免的客觀不利條件，由于時延的存在，相同時間不同UUV間的相對位置無法準(zhǔn)確獲得。為了彌補(bǔ)這種誤差可采用2種方式：補(bǔ)償時延造成的定位誤差和追求時間同步。對于第1種方式，最常用的方法是卡爾曼濾波，如文獻(xiàn)[71-72]。文獻(xiàn)[73-74]則分別基于量測偽距的EKF移動長基線時間延遲算法和建立UUV時鐘相對偏移、漂移兩種模型實現(xiàn)對時間補(bǔ)償，達(dá)到時間同步。

3)編隊構(gòu)型。

編隊構(gòu)型影響著協(xié)同導(dǎo)航的可觀測性，而可觀測性直接決定協(xié)同導(dǎo)航定位的精度，因此對編隊構(gòu)型的研究也是提高協(xié)同導(dǎo)航精度的一種可行方法。多UUV協(xié)同導(dǎo)航系統(tǒng)具有非線性特性，使得線性系統(tǒng)的可觀測性理論對其不再適用。為了解決這一問題國內(nèi)外學(xué)者主要采用2種方式：1)將非線性系統(tǒng)線性化[75]，但在線性化的過程中可能會導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)鍵信息的丟失；2)引入非線性的可觀測性方法[76-78]。

3 結(jié)論與展望

1)一直以來限制UUV集群發(fā)展的一個主要原因是水下惡劣的通信條件。分布式優(yōu)化算法能夠降低通信對控制的影響，但是現(xiàn)階段還沒有比較成熟的分布式優(yōu)化算法應(yīng)用于集群當(dāng)中。未來分布式優(yōu)化可能會成為集群發(fā)展的突破口。

2)對UUV集群的相關(guān)研究越來越多，但是多數(shù)研究都局限于理論推導(dǎo)和仿真驗證，受限于UUV集群驗證平臺的發(fā)展，相關(guān)理論和算法不能得到及時驗證。

3)目前集群的研究主要針對少數(shù)UUV的編隊和協(xié)作控制，針對大規(guī)模集群的研究很少，這也限制了UUV集群的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

鑒于當(dāng)今科技發(fā)展潮流，已經(jīng)有學(xué)者提出將人工智能技術(shù)應(yīng)用到UUV集群控制當(dāng)中，可以預(yù)想這將大大提高現(xiàn)有航行器的自主能力，也將使集群控制更加智能化。未來集群技術(shù)的發(fā)展除了建立在前文提到的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展上之外，航行器自身的智能性的提高將是集群發(fā)展的強(qiáng)大助推器。

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Overview of unmanned underwater vehicle swarm development status and key technologies

ZHANG Wei, WANG Naixin, WEI Shilin, DU Xue, YAN Zheping

(College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Abstract：Despite the development and maturity of unmanned underwater vehicle (UUV) technology, a single UUV can no longer meet development needs, which makes the swarm control and collaborative operation of UUVs an inevitable trend for UUV development. In this paper, we mainly introduce UUV swarm projects in military and civilian areas abroad, including project establishment goals and developments. We also present the most recent domestic and overseas research status of some key technologies of UUV swarm, including control using swarm intelligence, communication network design, mission planning, path planning, formation control, navigation, and localization. Finally, we propose some perspectives regarding UUV swarm systems.

Keywords：unmanned underwater vehicle (UUV) swarm; swarm intelligence; path planning; mission planning; formation control; communication network; key technology; navigation and localization

DOI:10.11990/jheu.201909039

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20200107.1515.002.html

中圖分類號：TP23

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1006-7043(2020)02-289-09

收稿日期：2019-09-12.

網(wǎng)絡(luò)出版日期：2020-01-07.

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51609046).

作者簡介：張偉，男，教授，博士生導(dǎo)師；

王乃新，男，博士研究生.

通信作者：王乃新，E-mail: naixin.wang@hrbeu.edu.cn

本文引用格式：

張偉， 王乃新， 魏世琳，等. 水下無人潛航器集群發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)綜述[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報, 2019, 41(2): 289-297.

ZHANG Wei, WANG Naixin, WEI Shilin, et al. Overview of unmanned underwater vehicle swarm development status and key technologies[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2019, 41(2): 289-297.