水下无人系统学报

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李子青, 何宁, 陈建义, 魏佳广, 冯晓伟, 贺文选, 廖佩璇, 谢琛华

2026, 34(4): 605-615. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0159

[摘要](423) [HTML全文] (250) [PDF 12680KB](47)

摘要:
针对深水海管铺设着泥点(TDP)监测中传统有线作业成本高昂、多船协同复杂及实时性差等瓶颈, 构建了基于无人船(USV)-中继器(TMS)-自主/遥控水下机器人(ARV)的一体化无缆化监测体系, 提出一种适用于深水垂向链路的水下无线光通信(UWOC)方案。针对深水异质信道光学参数随深度分层变化的特性, 建立了波长与深度耦合的垂向信道模型, 采用含HG相函数的蒙特卡洛光子追迹方法替代传统常参透过率近似, 实现了物理特性向工程参数的精准映射。在系统实现方面, 硬件采用蓝绿LED阵列二次配光与大口径光电倍增管(PMT)组合, 构建了高冗余度的“大角度发射+宽视场接收”架构; 软件层面引入基于滑动窗口统计的自适应阈值与自动增益控制, 实现了发射功率与接收灵敏度的动态协同, 显著降低了系统对高精度对准的依赖。水池验证了系统在6~20 Mbit/s速率下的对准容差与稳定性; 远海试验实现嘴大越17 m链路间距下的稳定通信及6.25 Mbit/s无误码视频回传, 验证了系统在动态平台扰动与环境光波动下的工程稳健性。研究证明, 该方案具备良好的现场迁移性, 可在无需增配多功能支援船的前提下支撑TDP持续监测, 为深水油气装备的智能化与轻量化作业提供可靠技术路径。

基于物理驱动与不确定性量化的海上漂流浮标轨迹溯源方法

李慧, 王水, 熊鑫泉, 越鹏, 莫李弘, 万旺华

2026, 34(4): 616-626. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0014

[摘要](443) [HTML全文] (223) [PDF 1966KB](54)

摘要:
海上搜救与污染溯源任务对高精度漂流浮标轨迹回溯技术存在迫切需求, 但传统拉格朗日模型在复杂海洋环境中存在较大误差。文中提出一种物理驱动的海上漂流浮标轨迹溯源模型, 创新性地引入基于风流场时间序列自相关分析的动态扩散系数, 优化随机游走模型的次网格速度补偿机制。该模型融合风致驱动力、海流拖曳力及科氏力的漂移动力学模型, 并结合蒙特卡洛仿真与核密度估计量化轨迹回溯的时空不确定性。基于北大西洋“海洋物联网”浮标数据, 选取热带开放海区、洋流汇合区、温带西风带及近岸复杂地形等4类典型海洋环境, 完成72 h反向溯源验证。试验结果表明: 文中所提模型实现浮标72 h轨迹回溯误差仅3.9~5.8 km, 相较于传统拉格朗日模型, 4类海区精度分别提升74%、55%、59%和22%, 显著改善了复杂海洋环境下的轨迹溯源精度, 为海上应急救援和污染源定位提供了可靠的技术支撑。

分层海洋中水下航行器尾流感应电磁场建模与内波特性分析

王翔津, 张建生, 王新彤, 闫林波, 兰青

2026, 34(4): 627-634. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0162

[摘要](410) [HTML全文] (288) [PDF 1268KB](62)

摘要:
针对水下航行器隐蔽性带来的威胁, 满足非声探测技术发展需求, 文中聚焦密度分层海洋环境中航行器尾流的电磁效应作用机制。现有尾流电磁场研究多基于均匀流体假设, 忽略分层现象导致的内波效应。为此, 文中创新性建立分层流体中水下航行器尾流速度场数学模型, 将尾流分解为表面波与内波分量的线性叠加, 并推导尾流感应电磁场表达式。通过仿真分析航行器在潜深10~50 m工况下感应磁场的空间分布、衰减规律以及各分量贡献占比。结果表明, 分层环境下, 表面波感应磁场近场峰值可达0.15 nT, 但随传播距离衰减迅速; 内波感应磁场近场峰值为0.006 nT, 且波形相干稳定、衰减缓慢, 在远场区域成为总感应磁场主导分量; 同时, 随着航行器潜深增加, 内波贡献比例显著增大, 潜深50 m时近场贡献比例可达84.9％。研究表明内波作为远场探测的关键物理量, 可为发展对水下航行器远距离非声探测技术提供理论依据。

基于多模态MAE数据增强网络的鲸豚类动物叫声识别与分类

刘悦悦, 牛秋娜, 孙悦, 王景景, 施威

2026, 34(4): 635-645. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0052

[摘要](528) [HTML全文] (302) [PDF 5999KB](100)

摘要:
被动声学监测中的叫声识别与分类是海洋动物保护与种群调查的重要手段。针对鲸豚类动物叫声识别与分类中存在的数据稀缺与类间不平衡问题, 数据增强方法具有重要的实用价值与研究意义。然而海洋动物叫声拥有丰富的声学信息, 仅依赖于频域特征提取缺乏对音频结构与语义的建模能力, 难以有效捕捉叫声的深层特征。为此, 文中提出了一种基于多模态掩码自编码器(MAE-MF)的数据增强网络, 突破单模态信息局限, 以梅尔频谱图为主模态, 融合时序特征与帧级统计指标构成多模态输入, 并引入语义标签作为条件引导重建; 同时结合门控融合与交叉注意力机制，强化多模态信息交互与特征表达能力。基于Watkins数据集开展实验, 结果表明: 相较于主流算法, 文中方法的频谱图重建效果更佳；实验测得6类鲸豚物种平均识别准确率达97.6%, 较基础MAE方法提升6.72％。该方案可有效改善样本类别失衡问题, 提升复杂声学特征与微弱叫声的识别能力, 为鲸豚保护相关工作提供可靠的技术支撑。

基于板块元的复杂多目标高频近似散射声场快速算法研究

孟丽宁, 赵婧淑, 李桢慧, 刘睿

2026, 34(4): 646-655. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0090

[摘要](540) [HTML全文] (295) [PDF 5065KB](86)

摘要:
随着无人水下航行器集群化发展, 水下复杂多目标的探测与识别问题受到重视。针对此, 文中建立了基于板块元算法的快速计算模型, 以提高计算准确度与效率。首先利用改进的板块元算法对双目标模型的目标特性进行了计算, 通过物理场仿真和消声水池试验实测结果与计算结果比较验证了该计算方法的正确性。为了提高计算效率引入OpenMP并行算法, 根据不同角度和频率入射下复杂多目标散射声场特性计算难度各异的问题, 优化循环迭代调度机制, 实现了线程负载的高均衡, 获得5.3倍加速比。用此快速算法研究更复杂的多目标模型, 通过分析目标特性角度-频率云图可以得到多目标高频散射声场特性随频率增加规律性变化, 目标强度在某些角度存在极值, 同时存在高频干涉条纹, 分析了散射特性与几何位置的关联规律。研究结果可为水下目标声学探测与特性研究提供理论参考。

跨介质航行体倾斜出水破冰载荷及运动特性研究

叶永晧, 贺柏岩, 裴金亮, 张益敢, 瞿泽晖, 刘华坪, 张骏晖, 齐润超

2026, 34(4): 656-667. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0002

[摘要](501) [HTML全文] (271) [PDF 4517KB](46)

摘要:
现有针对具备出水破冰能力航行体的研究多聚焦于垂直破冰, 缺乏探讨倾斜角度对破冰性能的影响。为此, 文中基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)流固耦合算法建立了航行体倾斜出水破冰数值模型, 系统分析了倾斜角度、初速度及冰层厚度对航行体载荷及运动特性的影响规律。结果表明: 在破冰初期, 航行体尖锥形头部撞击冰层导致冰层局部产生剧烈的应力集中, 其顶部率先萌生径向裂纹并从中部开始破碎失效; 航行体所受合力中心偏离轴线方向, 导致其沿初始倾斜方向偏转加剧, 且该趋势随初速度和冰厚增大愈加明显; 在随后穿冰过程中, 倾斜角度θ=10°工况低速和厚冰条件下, 航行体姿态呈“偏转-回正”模式; 高速和薄冰条件下, 姿态则呈“偏转-直航”模式。研究结果可为极地跨介质航行体设计发展提供参考。

水下爆炸冲击振动的自适应模态分解方法

龙毅扬, 朱炜, 闻俊, 贾曦雨, 马峰

2026, 34(4): 668-676. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0004

[摘要](581) [HTML全文] (301) [PDF 4497KB](2)

摘要:
水下爆炸诱发的结构冲击振动信号具有强非平稳和宽频叠加特征, 传统模态分解方法易产生模态混叠与能量泄露, 难以实现稳定的频域分离。针对上述问题, 提出了一种水下爆炸冲击振动的自适应模态分解(AMD)方法。该方法基于频域参数化建模, 利用具有局部支持和可调尺度特性的基函数表示响应频谱, 并通过中心、带宽与幅值参数的协同优化及剪枝约束, 实现主要频率成分的自适应提取与模态重构。以水下爆炸板架结构数值仿真数据为例, 将AMD与经验模态分解、变分模态分解和经验小波变换方法进行对比分析。结果表明, AMD实现了近似无损重构, 其模态间最大互相关系数约为17.7%, 频谱重叠率均值为2.7%, 显著低于对比方法, 可为水下爆炸冲击振动信号分析提供有效工具。

水下丢失目标逃逸区域概率评估与预测方法

孙继红, 郑艺, 杨向锋

2026, 34(4): 677-686. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0062

[摘要](450) [HTML全文] (264) [PDF 1522KB](54)

摘要:
在水下高速机动平台面临真假目标共存的复杂水声对抗环境时, 若攻击目标选择错误, 可能导致真实高价值目标逃逸。传统的无针对性再搜索策略效率低下, 需要深入分析高价值目标的对抗策略, 综合考虑其机动能力和战术选择, 制定针对性的反对抗与再搜索策略。文中基于高价值目标对抗策略分析构建了目标逃逸区域模型, 提出一种水下丢失目标逃逸区域概率评估方法, 用于预测对抗区域内目标的逃逸概率。仿真结果表明, 该方法有助于提升目标再搜索的成功率, 缩短水下高速机动平台的搜索时间, 从而显著提高整体搜索效率。

基于AMDQN的AUV遍历路径规划方法

庞舟岐, 林晓波, 耿士程, 郝程鹏

2026, 34(4): 687-700. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0028

[摘要](385) [HTML全文] (256) [PDF 2036KB](33)

摘要:
为了提高自主水下航行器(AUV)的遍历路径规划能力, 文中提出了一种基于改进的蒙豪森深度Q网络(AMDQN)的AUV遍历路径规划算法。首先建立贴合实际场景的遍历规划环境, 利用射线覆盖方法代替传统矩形栅格式建模, 以此提升环境建模精度, 同时约束AUV的可选动作集, 限制其机动能力。在上述环境下对算法各组件进行设计: 状态空间方面, 将模糊的全局环境信息、以AUV为中心的高精度局部环境信息, 以及AUV自身位置信息进行融合, 对环境进行系统化描述; 奖励函数方面, 引入了规则惩罚项与边缘指导机制, 使AUV能够沿环境边缘稳定航行, 提高覆盖率; 参数更新方面, 在DQN算法的基础上设计自适应温度参数更新策略, 同时结合多步奖励与竞争网络架构缓解训练方差; 在训练过程中, 对全连接层参数执行软重置操作, 以缓解局部最优现象。仿真实验结果证明, 相较于传统方法和未改进的强化学习算法, 文中所提算法环境适应性更强, 同时能实现更高的遍历覆盖率。

基于B样条规划与元学习LTV-MPC的AUV地形跟踪方法

朱英姣, 严天宏, 刘莹莹, 刘易雳

2026, 34(4): 701-711. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0011

[摘要](426) [HTML全文] (245) [PDF 2155KB](41)

摘要:
针对自主水下航行器(AUV)在复杂海底地形下近底航行时难以同时满足跟踪精度、离底安全和执行器约束的问题, 文中提出一种基于滑动窗口B样条规划的地形跟踪方法, 并在控制层引入基于元学习的权重自适应线性时变模型预测控制(LTV-MPC)策略。规划层采用三次B样条在坡度约束下生成保持定高裕度的参考路径, 结合滑动窗口机制实现局部优化与全局连续性的平衡; 控制层采用 LTV-MPC控制器, 由元学习网络根据地形曲率、深度及姿态误差等特征在线调整代价函数权重, 以适应不同地形条件下的跟踪难度变化。元网络参数通过贝叶斯优化在多组合成地形闭环仿真数据上离线训练, 学习地形特征与最优权重的映射关系, 在线阶段仅需前向推理, 计算效率高。在所设定的仿真场景中, 合成地形与实测地形数据验证表明, 相比视线制导-比例积分微分, 所提方法的均方根(RMS)跟踪误差在2种地形下分别降低42.5%和31.3%, 相比标准LTV-MPC, RMS跟踪误差分别降低4.5%和6.1%, 同时满足俯仰角和舵角约束, 有效解决了复杂地形下跟踪精度与安全性的平衡问题。

基于强化学习的多智能体协同搜索路径规划方法

贺聪炜, 谢勇, 陈于涛

2026, 34(4): 712-725. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0163

[摘要](615) [HTML全文] (312) [PDF 1630KB](44)

摘要:
针对多智能体协同搜索路径规划优化问题, 以最大化累积探测概率为目标, 构建多智能体强化学习模型, 提出一种基于深度Q网络(DQN)的多智能体协同搜索算法Joint-DQN(JDQN)。该算法通过设计经验知识共享机制提升了多智能体间的协作效率与稳定性; 结合冲突检测机制, 有效解决了多智能体协作中的路径冲突频繁问题; 同时设计了复合奖励函数, 提升了搜索覆盖率并降低重复搜索率。仿真实验结果表明, 该算法在静态与动态目标场景下均能有效引导智能体沿目标最可能存在方向高效搜索, 同时快速提升累积探测概率, 为多智能体协同搜索路径规划提供理论支撑和指导。

基于延迟鲁棒多智能体强化学习的协同围捕方法

付松琛, 白乐天, 赵少靖, 蒙傲萌, 梁宏, 黎塔

2026, 34(4): 726-740. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0173

[摘要](521) [HTML全文] (254) [PDF 1568KB](40)

摘要:
针对多个无人水下航行器(UUV)协同作业时因水声通信机制导致的延迟观测问题, 提出了一种基于延迟鲁棒多智能体强化学习的协同围捕方法。首先, 在常用通信场景下分析延迟观测的产生原理, 利用二维纳维-斯托克斯方程对湍流场进行建模, 搭建仿真环境, 模拟真实任务场景; 然后, 提出延迟鲁棒多智能体强化学习方法, 并详细介绍各组成模块。在此基础上设计围捕任务的奖励函数、不同网络的模型结构以及训练方法, 完成不同任务和延迟条件下的消融实验。实验结果表明, 文中方法能有效应对延迟观测问题, 在不同程度的延迟下均保持较好表现, 部分任务中接近无时隙情况的理论性能上限。消融实验证明了所提方法中各组成模块在对抗延迟观测时的有效性, 为延迟观测下的多UUV协作策略研究提供了新的理论支撑与技术路径。

针对分段线性路径的AUV在线优化与跟踪控制方法

陈姝雯, 严天宏, 张宇轩, 王日贤

2026, 34(4): 741-751. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0166

[摘要](493) [HTML全文] (270) [PDF 1774KB](43)

摘要:
针对自主水下航行器(AUV)在分段线性路径跟踪中, 因切换点切向跳变而产生过大跟踪误差的问题, 文中提出一种基于重叠滑动窗口的在线路径优化方法。该方法通过重叠窗口, 使新窗口继承前次窗口优化结果的后段部分, 从而缓解末端效应与决策短视问题。窗口内路径的优化优先选用参数化3阶Bezier曲线(PCBC)算法, 当该算法不适用时, 则采用改进型粒子群优化(PSO)算法优化3阶Bezier曲线的控制点, 以获得满足性能要求的优化路径段。为实现AUV对优化路径段的高精度跟踪, 文中设计了一种基于自适应前视距离的改进型视线制导法(LOS), 通过融合跟踪误差、路径曲率以及航速动态调整前视距离以提升制导精度。通过仿真分析与海上试验验证了改进型LOS的优越性以及路径优化方法与其相结合后的工程实用性。

基于滑模转速分配器的无人救生艇双推进电机控制方法

王镇, 汤宇

2026, 34(4): 752-758. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0170

[摘要](461) [HTML全文] (240) [PDF 1216KB](42)

摘要:
针对无人救生艇质量轻、易受外部水流干扰导致偏航的缺点, 文中设计了一种基于滑模转速分配器的双推进电机交叉耦合速度协同控制方法。首先建立无人救生艇转弯半径与转速差之间的电机控制模型, 然后基于交叉耦合控制设计了双推进电机速度协同控制系统, 最后设计基于滑模控制理论的转速分配器, 以修正双推进电机的给定转速, 从而使得艇身能够抵御外部水流干扰而实现平稳行驶。仿真与试验结果证明, 文中设计方法能够根据实际情况为双推进电机分配不同的给定转速, 从而更好地控制无人救生艇的航向。

基于旋转变压器与高频注入混合观测的水下推进电机低速抗扰控制

王钰, 段罗堡, 崔佳伦, 王元奎

2026, 34(4): 759-769. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0144

[摘要](594) [HTML全文] (339) [PDF 2371KB](154)

摘要:
无人水下航行器推进系统的低速控制性能是其有效执行深海勘探、军事侦察等关键任务的前提条件。针对低速工况控制能力提升的需求, 文中系统分析了永磁同步电机驱动系统中有位置传感器方案与无位置传感器方案的局限性: 旋转变压器在恶劣环境下易引入位置检测误差, 而在主流无感控制方案中, 基于反电动势的观测器存在零低速域观测盲区, 高频信号注入法虽可提升低速观测性能, 但其辨识精度易受电机参数变化影响, 且所有无感控制方案的精度均高度依赖电流采样的准确性, 使得该类方案在干扰严重的复杂工况下, 面临严峻的工程挑战。为此, 文中提出一种旋转变压器与高频方波注入相结合的混合观测低速抗扰控制策略, 通过硬件冗余与信息融合技术, 将旋转变压器提供的绝对位置基准与高频方波注入的动态观测结果进行深度融合, 构建优势互补的观测架构, 提升系统在低速、变载及信号受扰等复杂工况下的鲁棒性。仿真结果表明, 所提方法能够有效抑制位置传感器和电流传感器的检测误差干扰, 实现转子位置的稳定精确观测, 为水下装备动力系统提供高可靠性的控制方案。

基于EAP材料驱动的仿生鱼尾鳍设计与仿真

王思蛟, 张豪毅, 陈彦霖, 曹凯明

2026, 34(4): 770-777. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0164

[摘要](620) [HTML全文] (379) [PDF 2312KB](173)

摘要:
在海洋保护与探测领域不断发展的背景下, 传统水下驱动装置存在结构复杂、运动效率偏低等固有缺陷, 柔性材料凭借适配性强、安全性高及灵活性足的优势, 逐渐成为水下仿生驱动领域的研究热点。文中依托电活性聚合物(EAP)能量密度高、机电耦合效率高的材料优势, 结合弹簧挠曲变形与弹性恢复作用, 模拟鱼体-尾鳍(BCF)推进模式的收缩与放松周期性变形过程, 设计了一种圆柱形仿生尾鳍驱动装置, 可实现尾鳍肌肉的连续顺应性变化。基于流体力学理论系统分析尾鳍运动规律与推进力的耦合机理, 构建鳍条摆动瞬时力学模型, 并融入实验数据进行求解。利用Fluent软件建立三维数值仿真模型, 通过动网格计算结果与力学模型预测结果的对比分析, 完成模型有效性验证, 为新型仿生鱼的设计开发提供理论支撑与实验依据。

基于跨维高斯法向跃迁场的海底三维高保真场景重建

赵奚曼, 褚宣合, 陈瀚, 刘厶源

2026, 34(4): 778-785. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0167

[摘要](432) [HTML全文] (258)

摘要:
海洋科学勘测与水下环境探查等领域对海底高保真场景重建的需求日益提升, 三维高斯溅射技术作为一种先进的显式场景表示方法, 在海底环境重建与新视图合成任务中展现出显著应用前景。然而, 受水下成像介质模糊效应等影响, 重建结果常出现介质伪影与结构失真等缺陷, 严重制约其在实际水下复杂环境下的适用性。为解决上述问题, 文中提出一种基于跨维高斯法向跃迁场的海底三维高保真场景重建方法, 首先建立高斯基元的跨维映射与法向跃迁系统, 提升其对复杂结构的精细化几何建模能力; 其次提出高斯不透明度加权滤波模型, 抑制由介质模糊效应引发的重建伪影; 最后在多种水下场景的实验结果表明该方法具备高效处理复杂水下场景重建与新视图合成的能力。

自主水下航行器能源动力系统技术发展综述

丰帅, 柳伟杰, 杨健, 翁卫国

2026, 34(4): 786-800. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0169

[摘要](1042) [HTML全文] (443) [PDF 14155KB](157)

摘要:
自主水下航行器(AUV)在海洋工程、海洋科考和军事应用中发挥着重要作用。能源动力系统作为AUV的核心分系统之一, 其性能直接影响AUV的续航时间、作业范围和作业效率。文中从外形尺寸、下潜深度和作业用途对国内外AUV进行了分类, 系统分析了各类AUV能源动力系统的技术特点和工程应用现状, 重点探讨了高能量密度电池技术、水下无线充电技术、高密度储氢/储氧技术、电池管理技术等能源动力关键技术, 对AUV能源动力技术发展方向进行了展望, 以期为AUV能源动力系统的发展提供有益参考。

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