自主水下航行器的案例
Raise3D助力北極全球變暖研究中的自主水下航行器開發
從陽光普照的圣迭戈水域到寒冷深邃的北極，Yonder Deep的自主水下航行器證明了3D打印的變革潛力，使他們能夠輕松地克服挑戰，突破界限，并在未知的水域中航行。
▲利用3D打印的力量，革新相關領域
MBSE產品模型架構應用：基于模型驅動架構概念的自主水下航行器控制器的MBSE應用（上）
圖1.自主水下航行器（AUV）的自主架構模塊定義圖
根據上述AUV動態和控制架構，以及第2節中描述的HDS的定義，AUV控制器可以被視為HDS，其動態行為可以通過HA建模，并通過視線（LOS）導航性實現。
文章來源：創景科技
自主水下航行器 (AUV) | 近實時仿真與控制助力實現水下機動航行
同空中航行器一樣，自主水下航行器(AUV) 更適用于對大型載人航行器來說太危險或根本無法嘗試的許多應用領域。
例如，北極探索、水下建橋與管道檢查，以及水產養殖自動化，這些應用通常需要 AUV 行駛一段距離才能到達目標位置。航行器一旦到達目標位置，可能就需要執行敏捷操縱（即水下機動航行），以采集圖像、視頻和其他重要數據。
受諸多因素的影響，開發這些 AUV 的控制算法錯綜復雜。其中，最嚴峻的挑戰是無線電信號在水中會發生衰減，這使得 AUV 在深海遠程作業時無法可靠地接收 GPS 或通迅信號。由于缺乏這種通信，AUV的自主作業能力就顯得愈加重要。
瑞典皇家理工學院的團隊研究了控制策略，通過最大限度地降低能耗，使AUV 完成時間更長、更復雜的任務成為了可能。
借助 MATLAB? 和 Simulink?，使用基于模型的設計，對開發的控制算法進行了仿真、優化與實現。這種方法可以先通過仿真快速開發和評估算法，然后在機動航行的 AUV SAM（圖 1）上，對這些算法進行現場測試，從而加快研究步伐。
圖 1. SAM AUV（上圖）和三維表示（下圖）。SAM是由瑞典皇家理工學院的海洋機器人中心設計的。
AUV 設計中的工程權衡
采用就地懸停設計的 AUV，通常搭載多個推進器，這使得 AUV 體積龐大，因而無法輕松完成遠距離航行。另一方面，雖然細長型 AUV 的航程更遠，但受限于形狀，再加之缺乏多個推進器，這些 AUV 在到達目標位置后，更難懸停或使攝像頭和其他傳感器朝向感興趣的目標。
展開 技術交流▏基于無人自主航行器的智能水下多參數移動監測平臺
針對上述問題，本文提出采用移動性靈活的水下無人自主航行器完成水域監測任務。因此，本文提出面向水域生態環境監測的基于無人自主航行器的智能水下多參數移動監測平臺。
該平臺基于輕型免維護AUV載體，通過搭載水下多參數傳感器及水下側掃聲吶，獲取水質參數及水底的地形地貌信息；基于穩健水聲通信技術實現水下多參數傳感器的實時回傳，實現水質信息的原位監測；通過提出的智能水下平臺控制算法，本平臺可實現航跡自主規劃，提高了監測任務的靈活性。
二、系統設計
⒈系統總體設計
本系統采用輕型免維護AUV平臺搭載聲通信機、水質傳感器與側掃聲吶的水下探測系統，可實現水下采集傳感器數據的實時回傳，總體系統分為水下航行器、操控終端和保障系統三部分。AUV航行器平臺搭載聲通信機與側掃聲吶的實施方案如圖1所示，搭載后的平臺除原平臺的頭段、控制段、接口段和尾端外，在頭段與控制段之間針對聲通信機和側掃聲吶的搭載需求分別設計聲通信機搭載段。側掃聲吶安裝于側掃聲吶搭載段的雙側“肋部”位置，段內安裝相應聲學設備的電子處理板。該平臺采用模塊化設計，擴展性強，可搭載多種聲吶設備，完成水文參量數據采集、水底地形地貌勘察以及相關的作業任務。
AUV總體結構采用封閉耐壓結構形式，分段形式構成，各艙段按功能模塊化要求進行設計，各段功能相對獨立，各艙段采用了統一的連接結構和密封形式進行設計，可增添附加的功能段。AUV平臺直徑180mm，總長1975mm，排水量約50kg。
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MBSE產品模型架構應用：基于模型驅動架構概念的自主水下航行器控制器的MBSE應用（下）
圖5.AUV控制器實時壓縮的協作圖
圖6.AUV控制器的實時壓縮類圖
這里，離散部件的壓縮由AUV控制器HA中的情況Q和過渡A組成;連續部件的壓縮包含連續狀態空間X;IGCB的壓縮實現了具體的全局連續行為，如f∈F，其中f直接來自公式（3），實現的功能模塊圖（圖4）可以在f中實現，用于估計AUV狀態;外部接口的壓縮是一個中介，它在AUV控制器和MES / MDS之間接收/發送事件/信號;內部接口的壓縮允許 Inv 工具在 HA 演化中生成內部事件。
對于不同AUV應用的控制器操作員來說，可重用性至關重要，因為它減少了制造時間和設備成本。此外，這允許開發AUV的壓縮協作在多種類型AUV的新控制應用中定制和重用，如表2所示。
表 2.設計控制器在多種類型AUV的新控制應用中的可定制性和可重復使用性（IGCB，瞬時全局連續行為）。
展開 水下無人潛航器集群發展現狀及關鍵技術綜述
CADRE系統包括一個自主水下航行器網絡 (AUV，也稱UUV) 和自主水面航行器 (ASV)，它們自主地同時進行廣域海底反水雷 (MCM) 偵查，同時保持高精度導航和定位。多模式通信架構在CADRE系統中起著至關重要的作用，允許系統中的UUV彼此之間還有與各種支持平臺保持聯系。
CADRE系統在海底地 雷對抗任務的背景下開發，因此對該系統進行了2個關鍵反水雷任務方案的驗證：1) (365.6～914) m×20 nmile的狹長區域(如圖1所示)；2) 10 nmile×10 nmile的廣域范圍。2種方案均在保持嚴格的導航精度和協同定位要求的前提下進行。
1.2 民用領域
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布了當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領導，由41個UUV組成，可以協同完成任務，其主要目的是用于水下監測和搜索。該集群系統在其行為潛力方面具有可擴展性，可靠性和靈活性。研究人員通過受到行為學和心理學啟發的實驗來研究集體自我認知，從而允許量化集體認知。
圖1 CADRE系統概念圖
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) 項目旨在設計和測試協作自主水下航行器系統以簡化地震勘測并提供相比于現代拖纜方式的顯著優勢。WiMUST系統的主要新穎之處在于使用海洋機器人來捕獲地震數據而不是傳統的拖纜。
項目利用UUV集群牽引小型孔徑短拖纜。
展開 基于Icepak的水下航行器電池艙段散熱仿真分析
摘 要：針對水下航行器的鋰電池組發熱問題，利用ANSYS Icepak軟件對不同散熱條件下的電池艙段內溫度氣流分布情況進行了仿真分析。結果表明：相比于艙內空氣自然對流冷卻，使用風冷散熱可大幅降低電池組平均溫度，并改善電芯之間的溫差，有利于提高電池組的環境適應性和放電功率，進而提升水下航行器的安全性和可靠性。
關鍵詞：鋰電池;Icepak;散熱仿真;水下航行器溫度場;
0 引言
隨著鋰電池的蓬勃發展，水下航行器越來越多的使用鋰電池作為動力能源。為滿足水下航行器的能量和功率需求，鋰電池組常采用單體密堆積方式成組，且水下航行器的電池艙段為密封環境，鋰電池組長時間高倍率放電所產生的熱量容易積累，導致部分單體電池溫度過高，發生內短路，進而引發熱失控[1]。因此，對水下航行器的電池艙段進行散熱設計及仿真分析，對保證水中裝備鋰電池組的安全可靠工作具備重要意義。
本文以水下航行器電池艙段為研究對象，利用Icepak有限元分析軟件對不同條件下艙內空氣自然對流散熱和風冷散熱的電池艙段溫度場進行數值模擬，得到不同風機功率、風機方向、電池單元間隙條件下電池艙段內部的溫度氣流分布，分析了電池艙段內部傳熱特性，并研究了影響電池艙段溫度場的主要因素。
1 計算模型
1.1 模型簡化
水下航行器電池艙段一般較長，電池艙段內沿軸向的熱量傳遞極少，為節約計算時間，將電池艙段的熱仿真簡化電池模塊艙段熱仿真分析。此外，電池艙段內各種螺釘、導線和鋁合金外框等對電池溫度場的影響很小，故在熱仿真分析時也將其省略。電池模塊由8個電池單元堆積組成，電池單元由8個單體電芯串聯組成，對64個電芯從左下方開始，順時針依次編號，電池模塊艙段模型及電芯標號如圖1所示。
展開 當代無人駕駛水下航行器的推進器設計
從載具推進的物理學角度來看，無人駕駛水下航行器(UUV)與滑雪艇或者油輪幾乎沒有什么不同。它采用了航行器-推進器-驅動的系統模型，該模型通過推進器將驅動能量轉化為推力，以達到推動航行器移動的目的。推力平衡和運動的基本原理對這三種載具都是共同的，即旋轉能量被系統的中心部件推進器轉化為軸向推力。
不同類型載具的推進器設計所不同的是基于載具各自任務所特有的設計約束和目標。例如，一艘滑雪艇在拖曳速度下可能需要高推力，并愿意放棄潛在的最高速度以達到這一任務要求，它的傳動比和推進器特性就是為此而設計的。為了獲得最大的經濟回報，油輪可能需要以“經濟速度”獲得最大的效率。或者，它可能還會額外限制排放或燃料消耗，這就要求在推進器的設計上做出妥協。
考慮到相關的各種任務，水下航行器有其自己的一套推進器設計要求，如電池壽命(或電池容量下運行的最大距離)，最大直徑，最小運行速度，從水動力效率或安全角度考慮是否采用導流管式螺旋槳，同時也考慮到可以減少噪聲，確保安靜地進行數據收集任務。這些設計要求是HydroComp公司進行UUV推進器設計工作時的思考，這些思考來源于一個成功的設計項目，是在和客戶深度溝通設計需求和信息的過程中形成的。航行器-推進器-驅動模型是進行此類設計討論的一個很好的框架。
航行器
典型的UUV是一種回旋體外形(也稱為軸對稱形式)，它有一個鼻子、身體和尾巴。為了裝配設備的內部容積最大化，一些航行器的首部和尾部非常短。正如你可能預料到的，這樣的首部必然會造成阻力的增加，由于流體進入推進器不是沿著軸向而是有一定的斜度，也會損失一定的推進性能。不同的阻力成分，如興波阻力或壓阻力和摩擦阻力或粘性阻力之間的平衡是我們工作的一部分，往往希望得到最小的阻力體積比，事實上，這并不能完全實現。
展開 法國接收反魚雷無人機原型
海上反水雷系統的基本架構由兩架水面無人機（USV）組成——其中一架配備了拖曳聲納，另一架配備了一個有助于識別和排除水雷的遙控機器人（ROV）和兩個負責對水雷進行探測、分類和定位的自主水下航行器（AUV）。新系統具有眾多優勢，例如在排雷行動中具備更大的裁量權，可對威脅發生時附近的人員進行限制，介入深度增至三倍（可達300米深），以及水下無人機配備新一代聲納，圖像質量更好。該系統既可在陸地上運行，也可在水雷艦艇上運行。
海軍反水雷無人機原型將允許法國海軍進行評估，開發新戰力，完成后再對無人機原型進行改裝，讓其成為2024年首批交付給海軍的四大作戰系統之一。2020年11月16日，歐洲聯合軍備合作組織代表法國武器裝備總署向泰雷茲集團下了改裝原型機和采購另外三個系統的訂單。
展開 研究人員利用仿生學和3D打印開發機器魚
3D打印機器魚原型
我們都知道，3D打印機器魚具有各種應用，如：水下數據采集、水中毒素檢測、研究和魚類保護，甚至作為家庭寵物等。來自土耳其菲拉特大學的一組工程研究人員正在使用仿生設計為不同的海洋應用提供靈活的解決方案，如觀察生物、檢查水下資源、發現和防治污染、海岸線安全、測量淹沒區域和管道故障檢測等。
3D打印機器魚詳細機械配置
據悉，研究人員受鯉魚啟發，最近發表了一篇關于他們使用3D打印、機器人和仿生學開發自主水下航行器（AUV）的“智能仿生機器魚設計與制造”的論文。
在設計3D打印仿生機器魚時，需著重考慮的是其身體結構和游泳模式，因此研究人員花了很多時間進行觀察和研究。據研究表明，超過85％的魚是通過彎曲身體或尾鰭（也稱為BCF）進行游泳，而其余魚則用奇鰭或胸鰭（MPF）進行游泳。
一段時間內鯽魚向前和轉泳模式說明圖
“機器魚設計有兩種方法。首先是仿生設計，它具有一定的要求，例如尾部的大小和關節數量，以提供身體行波，以及能夠控制重心保持在一定深度。”研究人員寫道。“第二種設計方法僅使用魚類的運動效果。”
機器魚原型的自主游泳性能
據了解，菲拉特大學的機器魚原型復制了BCF型游泳模式及其推進式伺服電機驅動尾部機制，它還具有前部、剛性、魚雷形狀的主體，用于容納所有傳感器和電子設備，當然，還有重心（CoG）控制機構，用于上下移動。
因為機器魚在游泳時需要能夠感知環境中的靜態和動態物體，所以研究人員在它們身上添加了三個夏普紅外距離傳感器，重量約為3.1千克，長約500毫米，寬76毫米，高215毫米。
前瞄準器和瞄準角設計
這項研究提出了基于生物游泳啟發的智能機器魚原型（i-RoF）的仿生設計和制造，以執行現實世界的探索和測量任務。為了測試安裝部件的密封性能，研究人員在測試池中運行了6小時。
展開 基于模型的系統工程（MBSE）在水下航行器設計及陸地試驗過程中的典型應用
綜上所述，MBSE在水下航行器設計過程中具有重要的作用。它可以提供全面的設計優化和評估手段，促進不同學科領域的合作，提高水下航行器的性能、可靠性和安全性。
基于AMESim的AUV推進系統建模和仿真驗證
針對自主水下航行器(AUV)推進系統設計早期驗證的需求, 提出了推進系統虛擬集成模型仿真驗證方法。通過分析AUV推進系統組成和機槳匹配設計原理, 分別建立AUV阻力特性、螺旋槳特性、推進電機和動力電池的AMESim仿真模型, 進而實現推進系統綜合虛擬集成, 并以此作為AUV虛擬航行閉環測試環境, 開展AUV快速性、機槳匹配特性、電氣參數變化影響規律以及動力電池選型方案的仿真分析。仿真結果驗證了推進系統設計方案的匹配性, 可為AUV推進系統設計優化以及部件選型提供參考。
引言
為了使自主水下航行器(autonomous undersea vehicle, AUV)保持一定的速度向前航行, AUV推進系統必須產生一個與航行阻力大小相等、方向相反的推力。AUV通常采用螺旋槳推進的方式, 由推進電機驅動螺旋槳旋轉產生推力[1]。在AUV外形阻力一定的條件下, 推進系統性能是影響其快速性的決定因素, 同時推進效率對AUV能源大小核算至關重要[2]。
目前, AUV推進系統設計工作多圍繞減小外形阻力、優化螺旋槳性能等方向開展。李龍等[3]通過優化AUV的Myring外形曲線、設計高效率螺旋槳和匹配電機選型等方法, 來保證整個推進系統的效率最優。張若初等[4]基于RANS數值計算方法, 實現AUV阻力、螺旋槳敞水特性的預測, 并開展了自航模擬。李桂倉[5]計算了海洋擾動對AUV阻力和螺旋槳特性的影響, 定性分析了艇機槳匹配特性, 提出垂向姿態控制策略。
展開 多種無人系統新技術重磅推出！
5.SpearUAV公司推出Ninox 103潛航無人機系統
據無人機視界網2022年6月7日報道，SpearUAV公司推出封裝式Ninox 103 Sub-to-Air潛航無人機系統（UAS），首次實現了將水下無人機發射到空中，并提供即時的超視距態勢感知。
SpearUAV公司是一家為基于SWARM的封裝式無人機系統提供自主的、基于人工智能（AI）技術的開發商。Ninox 103 Sub-to-Air是一款基于人工智能的自主系統，專為無法探測的水下發射設計，并專注于現有的操作需求。該系統直觀且易于操作，能夠為潛艇、自主水下航行器（AUV）和其他水下平臺提供獲得即時空中能力的最有效方式，還能為各種特種部隊、偵察和聯合部隊等任務提供支持。該系統能夠瞬時啟動，保證船舶團隊能夠在遠距離接收海岸線以外的實時成像，同時確保自身既不被探測到，又與陸地保持一定距離。
Ninox 103無人機堅固耐用，適用于惡劣的水下和海上環境，其有效載荷不確定，開放架構使其能夠與第三方數據鏈整合。該系統通過無縫集成到現有的潛艇發射基礎設施中，其低視覺、熱學和聲學特征能夠支持隱身模式操作。
6.FIXAR推出自主遠程電動垂直起降無人機
據小型無人機系統網2022年6月9日報道，歐洲全棧無人機開發商FIXAR推出了一款自主全電動無人機FIXAR 025，專門用于商業和工業領域的大規模任務。
FIXAR 025充電后可攜帶10千克（22磅）的有效載荷，飛行距離可達300千米（186英里）。
展開 美國海軍水下戰概念的發展分析及思考
例如，美國的“海狼”級核攻擊型潛艇，既可以發射巡航導彈、水雷、魚雷，還可以釋放無人機、無人潛航器等，作戰載荷配置高度靈活，未來其搭載的靈活性和通用性還將得到進一步提升。美海軍未來計劃不斷為“海狼”級、“洛杉磯”級和“弗吉尼亞”級等攻擊型核潛艇增加各種新的功能以使其能夠執行新任務，例如擴展與無人系統接口以及承載各種有效載荷的能力等。隨著新型水下作戰武器數量不斷增多，水下平臺多種有效負載之間的協同作戰能力得到持續加強，作戰行動模式和可以執行的作戰任務將呈現出巨大優勢。
⒌無人裝備形成規模化
裝備正向信息化、智能化方向飛速發展，無人系統技術主導的無人潛航器、水下智能機器人、水下預置系統等新型無人裝備必將登上未來水下戰場的舞臺。尤其是承載各種功能的無人潛航器受到各海軍強國的高度重視，被視作水下戰的“力量倍增器”，美海軍于2016年發布的《2025年自主水下航行器需求》確立了無人潛航器研發工作優先級，重點發展滑翔型、巨型、仿生型等自主式無人潛航器，旨在通過發展系列無人航行器支撐組建新型完整的水下無人作戰體系。作為一種全新的水下裝備，海底預置裝備可“按需”在戰場前沿或敵近海完成快速兵力部署，美海軍正加緊研發“海德拉”和“深海浮沉載荷”等預置裝備，水下無人系統將成為美海軍未來反潛的重要主戰力量。
⒍指揮控制實現分布式
發展一體化聯合作戰指控系統是打贏未來水下攻防作戰的重要手段。當前潛艇的OODA能力大部分還是集中式的，設備冗余備份較少，作戰環單一脆弱；相比之下，水下無人作戰體系的OODA能力是分布式的，同類型可替代平臺數量較多，即使部分平臺被毀傷，作戰能力仍可以被釋放，作戰環的魯棒性較好。
展開 海洋維權無人裝備發展研究
無人機、無人水面艇、無人水下航行器等無人裝備可融合并分析多手段獲取的數據，自主決策任務重規劃和任務執行，從而自主完成相應的巡邏、監視任務；與其他無人裝備協同，精準執行不同類型的維權任務。推動海洋維權無人裝備的智能化發展，掌握自主協同控制、大數據分析、智能任務規劃、集群智能等技術，將顯著降低操作人員數量、減少人員傷亡可能性、提升任務執行效率。未來，將具備智能化特征的無人裝備應用到海洋維權執法，為海洋維權增添強力裝備支撐。
四、我國海洋維權無人裝備發展面臨的問題
（一）裝備體系化智能化水平不高
相較于世界海洋強國無人裝備的研制與應用進展，我國相關裝備對人員的依賴程度高，裝備智能化欠缺。對于“急難險重”任務和復雜環境，人員現場處置亟需新型裝備能力支持。由于執法區域面積廣闊，成體系的智能化無人裝備相對短缺，如應對海上惡劣天氣的長航時無人機 [10,11]，具備快速抵近偵察打擊能力的無人船 [12]，可執行水下打撈、取證、偵察任務的水下無人航行器 [13]等。
（二）水下、空中管控處置能力較弱
從我國海警力量的構成現狀可以看出，海洋維權力量的水面管控處置能力較強，但水下/空中管控與處置能力較弱。例如，缺乏水下、空中管控與處置裝備，難以適應立體化維權執法任務需求；缺乏覆蓋全海域的水下“低、慢、小”目標處置裝備，空中航行器打擊裝備，無法對來自水下、空中的可疑目標實施警告、驅離、打擊、制控。
（三）全域立體態勢感知能力不強
管控海域態勢感知需要實時獲取來自空中、水面、水下的各種動/靜態目標信息，現有裝備基本能夠滿足水面態勢感知的需要，但缺乏對水下/空中目標的專門感知能力。偏弱的實時感知能力制約了海洋維權執法的范圍和效率。
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