水下无人系统学报

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2024, 32(2): 183-183.

[摘要](45) [HTML全文] (52)

摘要:

邱志明, 孟祥尧, 马焱, 王亮, 肖玉杰

2024, 32(2): 184-193. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0053

[摘要](1731) [HTML全文] (139) [PDF 1183KB](263)

摘要:
海上无人系统跨域协同是未来海上无人系统的发展趋势和重要的应用方式。随着各种海上无人系统的快速发展和在世界局部战争冲突中的应用, 如何更好地使用海上无人系统跨域完成作战任务成为研究的重点。文中以不同空间域的海上无人系统为研究对象, 梳理总结了当前海上无人系统以及国外海上无人系统跨域运用的发展现状。重点针对海上无人系统的跨域协同运用基本原理和方法进行了分析, 提出了海上无人系统跨域协同运用的关键问题, 并在此基础上梳理了技术发展中需要重点关注的关键技术。最后提出了未来发展的几点启示, 以期为海上无人系统的跨域运用和技术发展提供参考和借鉴。

自主水下航行器集群组网技术发展与展望

于洋, 孙思卿, 张立川, 潘光, 王鹏

2024, 32(2): 194-207. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0055

[摘要](1365) [HTML全文] (398) [PDF 2531KB](251)

摘要:
自主水下航行器(AUV)可借助水声通信、协同探测和控制决策等关键技术实现集群组网, 形成同构或异构集群进行协同作业。通过集群组网, 可以充分发挥不同航行器平台的能力优势, 实现多平台之间的信息共享、任务协同和资源整合, 从而自主完成更复杂的海上作业任务。这种集群化的作业方式不仅提高了任务执行效率, 还可降低作业成本, 并提升海洋领域的探测、监测和应对能力。文中介绍了国内外AUV集群组网研究现状, 总结了集群组网通信、集群感知、控制决策等关键技术和挑战, 并针对AUV集群组网的应用需求, 其在探测、通信、控制方面的发展趋势进行了展望, 为开展AUV集群基础理论研究与实践应用研究提供参考。

卫星互联网支撑跨域无人集群作战

李沫, 郭栋, 周东红, 董冠涛, 李东禹, 储红兵, 商志刚

2024, 32(2): 208-214. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0043

[摘要](1013) [HTML全文] (153) [PDF 1496KB](134)

摘要:
跨域无人集群作为一种颠覆性的未来全新作战模式, 其作战效能的发挥极大地受限于通信组网能力。近年来, 卫星互联网凭借其广覆盖、低延时、高宽带及低成本等技术优势, 在全球快速发展, 是进一步发展跨域无人集群作战模式的关键。文中针对未来水下无人系统的发展趋势和现实需求, 介绍了卫星互联网的发展、技术优势以及跨域无人集群的作战概念, 深入分析了卫星互联网支撑跨域无人集群作战的优势, 提出了结合卫星互联网技术与空域、海面、水下作战域无人集群相结合的空海跨域无人集群作战网络, 并综合分析给出了技术架构, 可为未来跨域无人集群作战研究提供参考。

基于宽频认知层叠网的海上跨域协同组网通信技术

李忠孝, 罗荣, 王刚, 张卫强

2024, 32(2): 215-227. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0036

[摘要](876) [HTML全文] (148) [PDF 2299KB](77)

摘要:
随着海上多平台远洋部署和强敌对抗形势日益严峻, 依托于短波(HF)、超短波(V/UHF)、微波等单频段海上无线通信技术已不能满足海上跨域协同作战对多链融合组网、动态资源分配和体系化抗干扰的通信保障需求。文中提出一种基于宽频认知层叠网的新型多链融合网络通信架构, 采用综合射频一体化前端进行宽频带射频资源管理, 通过统一带宽、统一时隙、统一时空形成数据链融合元模型, 在此基础上采用软件通信体系后端进行多链融合和层叠组网, 通过宽带频谱感知、认知频谱接入和任务驱动自适应组网等技术实现对空海潜等海上多域通信环境的动态适应和强敌对抗环境的认知决策, 可提升海上通信网络扩展、跨域传输和抗干扰通信能力。文中对宽频认知层叠网的关键技术进行了深入研究, 给出了宽频认知层叠网的可行技术途径, 可为本领域的体系架构设计和技术研究提供参考借鉴。

面向自杀式无人机饱和攻击的海空跨域无人协同反制策略

梁霄, 陈聪, 刘殿勇, 于长东, 李巍

2024, 32(2): 228-236. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0007

[摘要](915) [HTML全文] (127) [PDF 1656KB](115)

摘要:
针对海洋环境下反制自杀式无人机饱和攻击问题, 文中研究了目标数量远超我方情况下的海空跨域无人平台协同反制策略, 提出一种结合改进的遗传算法与联盟形成博弈的协同算法。首先根据海空跨域无人平台攻击特性与运动特性, 结合最大最小策略设计代价函数; 然后结合任务需求对遗传算法进行改进, 对交叉和变异过程进行引导和限制, 在提升遗传算法效率的基础上生成可行的反制方案; 最后设计联盟形成规则, 通过联盟之间的成员变动使各联盟达到纳什稳定状态, 在算子数量较多的情况下仍能使反制方案被持续稳定优化。仿真对比实验表明所提策略具有可行性和优越性, 能在目标遭受饱和攻击时提供合理高效的反制方案, 可为大规模跨域无人集群作战研究提供参考。

基于空海异构无人平台的水下目标搜索与跟踪

丁文俊, 柴亚军, 杨宇贤, 刘佳敏, 毛昭勇

2024, 32(2): 237-249. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0037

[摘要](934) [HTML全文] (56) [PDF 1658KB](130)

摘要:
海上异构无人系统可有效提高复杂任务的完成效率。文中采用自主水下航行器(AUV)和无人机(UAV)来完成近海海域内未知水下目标的搜索与跟踪任务。首先, 描述了水下目标搜索跟踪任务, 将任务过程分为目标搜索和目标跟踪阶段, 2个阶段的目标分别是使AUV&UAV总搜索空间最大化以及AUV与水下目标的末端位置误差最小; 然后, 建立AUV&UAV跨域协同搜索模型, 并设定模型中AUV和UAV探测范围和通信距离等约束条件; 最后, 在跨域协同搜索与路径跟踪规划中, 基于传统粒子群算法, 加入自适应学习因子调控策略和精英保存策略, 生成搜索与跟踪路径。仿真实验表明, 采用改进粒子群优化算法的AUV&UAV异构无人系统能够更高效地完成水下目标搜索与跟踪任务。

基于边界约束粒子滤波的多UUV纯方位协同目标跟踪

韩博, 徐红丽, 邱少雄, 张文睿, 茹敬雨

2024, 32(2): 250-259. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0050

[摘要](864) [HTML全文] (37) [PDF 2416KB](69)

摘要:
面向海上跨域协同中多无人水下航行器(UUV)协同探测水面目标需求, 针对现有纯方位目标跟踪算法所面临的滤波器初始化困难和水声数据传输丢包问题, 提出了一种基于边界约束粒子滤波的多UUV协同纯方位目标跟踪算法。首先提出了主从式协同探测模型, 利用跟随者向领航者上报状态估计结果进行数据融合。其次, 基于UUV传感器和目标的先验信息设计了初始阶段可靠粒子生成方法和更新阶段的指标函数粒子权重优化方法。最后提出了基于灰色预测的分布式融合算法, 得到目标预测结果。仿真实验将所提算法和其他常见算法进行对比, 在通信丢包以及噪声干扰情况下验证了算法的有效性和可行性。

无人艇-机协同定位起降关键技术与验证

郑兵, 董超, 刘涵, 熊俊峰, 黄朝雄

2024, 32(2): 260-266. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0026

[摘要](939) [HTML全文] (73) [PDF 2466KB](96)

摘要:
无人艇(USV)单平台执行水面任务易受平台限制, 构建无人艇-机跨平台系统能实现平台优势互补。文章通过研究无人艇-机起降及补能技术, 实现无人艇-机持久协同作业。首先, 针对无人机(UAV)在动态USV上起降问题, 开展无人艇-机协同定位起降技术研究, 研究了无人艇-机速度、位置状态信息动态更新模型, 实现了UAV在USV端高精度的起降; 其次, 针对UAV续航时间短的问题, 开展UAV在USV端补能研究, 研究了UAV端起降机构和USV端充电网机构, 实现了UAV着艇快速补能; 最后, 在海面验证该无人艇-机跨平台起降补能系统性能, 试验结果中, 无人艇-机系统能在3.0 m/s的高速运动状态下, 实现UAV在USV端的成功降落和补能, 满足海上无人艇-机跨平台系统执行任务场景的需求。

一种基于海空无人集群的自杀式无人艇防御策略

孙峰

2024, 32(2): 267-274, 319. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0034

[摘要](1095) [HTML全文] (166) [PDF 2613KB](109)

摘要:
近期俄乌战场上自杀式无人艇的运用被高度关注, 针对反自杀式无人艇袭扰这一问题, 文中通过“无人对无人”的思想, 提出一种以无人艇、无人机等低成本平台为基础, 具备“协同赋能、自主管控、敏捷响应”的新型反自杀式无人艇袭扰概念。统筹运用多个轻量化、具备简单交互和自主决策能力的无人艇、无人机等平台, 通过分析典型自杀式无人艇能力, 研究海空协同任务分配与规划、跨平台协同侦察定位等关键技术, 构建新型侦察防御无人系统, 不仅能全天候准实时覆盖重点防御区域, 针对入侵可疑目标做到敏捷确认、即察即打, 还能拓展高价值目标的防御纵深、构建多层防御带, 应对自杀式无人艇集群的“狼群”式袭击。

海上异构无人集群协同运用发展概况及启示

孙海文, 王溪野, 王兆辰, 孟祥尧, 陈婷, 靳子荣

2024, 32(2): 275-281. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0032

[摘要](1221) [HTML全文] (123) [PDF 1413KB](164)

摘要:
无人系统集群凭借其协调度高、完全自主、群体智能等显著特点, 可直接影响并改变海上作战样式, 世界各海洋强国竞相开展跨域异构无人装备协同运用研究。文中重点分析了当前世界海上异构无人集群协同运用发展现状及典型作战运用案例, 分析了其具备的跨域多异构节点自组网通信、多域多源信息融合态势感知和多域大规模异构集群编队控制等特点, 最后提出，海上异构无人集群应融合有人无人感知信息、精细化智能决策、强化行动控制模拟训练、构建去中心化集群体系等启示建议。

水下航行器视觉控制技术综述

高剑, 何耀祯, 陈依民, 张元旭, 杨旭博, 李宇丰, 张桢驰

2024, 32(2): 282-294. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0061

[摘要](497) [HTML全文] (97) [PDF 2958KB](166)

摘要:
视觉控制是通过视觉信息进行环境和自身状态感知的一种控制方式, 文中将该技术应用于水下航行器控制, 并对不同应用场景下的相关研究进展、难点与趋势进行分析。首先介绍水下航行器视觉控制技术发展现状与任务场景, 然后对水下图像增强、目标识别与位姿估计技术进行介绍, 并从水下视觉动力定位与目标跟踪、水下航行器对接及水下目标抓取作业等3个任务场景, 对水下航行器视觉控制技术发展现状进行总结和分析, 最后梳理了水下航行器视觉控制技术的难点与发展趋势。

基于MBSE的鱼雷武器装备数字化研制方法

温志文, 王中, 谢彬, 蔡卫军, 张美茹

2024, 32(2): 295-303. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0031

[摘要](264) [HTML全文] (131) [PDF 4740KB](72)

摘要:
随着未来战争对鱼雷武器装备的研制和运用提出 “数字化、智能化、敏捷性”的新要求, 为解决鱼雷在传统基于文本研制模式下所面临的总体与分系统、设计过程与生产过程存在割裂, 致使发现错误不及时、早期验证不充分、信息传递不完整、模型数据不一致、验证范围不完整以及过程追溯不清晰等切实问题, 为缩短鱼雷研制周期, 提高研制效率和质量, 文中结合先进系统工程方法, 融合新技术, 在对基于模型的系统工程(MBSE)国内外实践应用研究的基础上, 提出基于MBSE的鱼雷武器装备数字化研制方法, 将MBSE思想方法与鱼雷技术特点和研发流程融合集成, 构建跨阶段、跨专业和跨层级的鱼雷全生命周期MBSE技术体系, 提出鱼雷MBSE数字化应用框架及技术路线, 提炼了基于MBSE的鱼雷数字化研制过程中需要解决的主要关键技术。该方法可为鱼雷武器装备的数字化研制实践以及全面数字化转型提供参考。

利用前视和测高声呐的UUV地形跟踪动态路径生成方法

陈涛, 万首

2024, 32(2): 304-310. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0047

[摘要](162) [HTML全文] (45) [PDF 1289KB](45)

摘要:
保持对海底地形的定高跟踪航行是无人水下航行器(UUV)执行海洋勘测和水下目标搜索任务时常采用的一种运动形式, 其核心是UUV如何对未知起伏的海底地形进行实时探测, 并基于探测信息在线、动态地生成跟踪路径, 以实现对地形的定高跟踪航行, 同时避免与地形发生碰撞。针对上述问题, 提出了一种基于前视声呐探测地形信息、基于多项式拟合动态生成跟踪路径的方法。首先, UUV利用前视声呐对海底地形进行实时探测, 对获得的地形探测数据进行仿射处理后, 得到具有离散特性的定高仿射数据。然后, 采用基于最小二乘准则的三次多项式方法对仿射数据进行拟合, 生成基于多项式函数描述的UUV地形跟踪航行路径。最后, 设计了一种包含声呐探测、数据仿射、路径生成和跟踪控制的动态执行框架, 实现UUV的实时地形跟踪航行任务。文中所提出的跟踪路径生成和动态执行框架通过对典型的海底“上坡”地形和“山地”地形跟踪的仿真验证, 证明了其有效性和可行性。

基于RBF神经网络补偿的ROV运动控制算法

张帅军, 刘卫东, 李乐, 柳靖彬, 郭利伟, 徐景明

2024, 32(2): 311-319. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0033

[摘要](328) [HTML全文] (162) [PDF 6798KB](66)

摘要:
针对作业型遥控水下航行器(ROV)在模型参数不确定和外部环境干扰下的运动控制问题, 提出了一种基于径向基函数(RBF)神经网络的自适应双环滑模控制策略。首先, 对于ROV外环位置控制采用改进趋近律的积分滑模控制方法, 对于ROV内环速度控制采用指数趋近律的积分滑模控制方法; 其次, 为进一步改善滑模控制的抖振问题, 引入双曲正切函数作为滑模切换项; 然后, 利用RBF神经网络控制技术对ROV模型的不确定参数和外部扰动进行估计与补偿; 最后, 利用李雅普诺夫稳定性理论证明了整个闭环系统的稳定性, 并对作业型ROV的运动控制进行了数值仿真。仿真结果验证了所设计的控制器可以实现ROV航行的精确控制, 并能够有效抑制模型不确定参数和外部扰动对ROV运动的影响。

基于改进混合运动麻雀搜索算法的水电站ROV路径规划

曾学文, 黄秀华, 陈敏, 周达, 张福林

2024, 32(2): 320-327. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0162

[摘要](143) [HTML全文] (73) [PDF 1371KB](32)

摘要:
水下遥控机器人(ROV)路径规划是水电站水下巡检作业的关键。针对电站水库下复杂环境及现有路径规划算法存在规划时间长、算法稳定性差、易陷入局部最优及生成路径不平滑等问题, 提出一种基于改进混合运动麻雀搜索算法的水电站ROV路径规划方法。首先, 引入佳点集改进麻雀种群初始化方法, 提高了种群多样性; 其次, 提出混合运动策略优化麻雀群体位置更新方式, 提高了算法收敛精度及稳定性; 然后, 结合工程实际问题, 考虑水库下水流速度大、强磁场、障碍物以及投入成本等因素，建立了包含时间成本、路径威胁、水流扰动和偏置函数的多元目标函数; 最后, 采用三次B样条插值得到最优光滑路径。仿真结果表明, 相较于其他路径规划算法, 所提方法在计算精度、收敛速度和稳定性方面表现更好, 适用于水电站水下巡检任务。

基于自抗扰理论的欠驱动AUV无模型自适应路径跟踪控制

付少波, 关夏威, 张昊

2024, 32(2): 328-336, 375. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0120

[摘要](226) [HTML全文] (42) [PDF 4745KB](58)

摘要:
面向自主水下航行器(AUV)精准回收的任务需求, 针对AUV运动中模型不确定性、易受环境干扰导致的路径跟踪精度不足的问题, 从无模型控制的角度出发, 提出了一种适用于AUV的基于自抗扰控制理论的无模型自适应控制(ADRC-MFAC)算法。该算法针对2阶系统模型特性, 结合视线角制导重新设计控制输入准则函数对无模型自适应控制(MFAC)进行了改进, 解决了MFAC只适用于自衡系统的问题。引入跟踪微分器对期望信号进行指令平滑, 考虑未知复合干扰的影响设计了线性扩张状态观测器, 在控制器中对估计扰动进行补偿, 并证明了所提控制器的稳定性, 提升了系统鲁棒性。在同样的干扰情况下, 文中控制方案相比传统比例-积分-微分控制器抗干扰能力提升了42.37%, 控制精度提高了45%, 表明ADRC-MFAC能够明显改善AUV的抗干扰性能, 提高路径跟踪精度。

基于改进PSO-Lévy算法的海流环境下AUV节能路径规划

杨惠珍, 王子江, 周卓彧, 杨钧, 李建国

2024, 32(2): 337-344. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0062

[摘要](250) [HTML全文] (83) [PDF 2322KB](48)

摘要:
为了获取海流环境中自主水下航行器(AUV)的节能避障路径, 建立了包含海流场速度信息和水下地形障碍的三维动态海流环境模型; 基于航行能耗、AUV机动性能约束和障碍物约束, 建立增广目标函数, 提出了一种基于权重调节机制和随机游走特性的改进粒子群优化-Lévy(PSO-Lévy)算法。将基于最佳阻尼比的参数调节策略和基于Lévy-flight过程的步长随机游走策略引入PSO算法, 通过概率执行粒子大步长游走操作以及对粒子惯性速度进行调控, 弥补了PSO步长短、跳出局部最优能力弱的劣势。仿真结果表明, 所提出的算法能在有效避开障碍物的同时利用海流信息规划出低能耗的最优路径。

基于非线性规划的X舵AUV容错控制

陈莺

2024, 32(2): 345-353. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0133

[摘要](204) [HTML全文] (53) [PDF 2501KB](46)

摘要:
为了充分发挥X舵自主水下航行器(AUV)的容错能力, 提出一种面向舵故障的AUV容错运动控制算法, 并将其部署在一种X舵AUV原型上。容错运动控制算法由动力学控制和控制分配两部分组成。其中, 动力学控制中多闭环增量反馈控制算法的引入可以使输出的虚拟舵角指令平缓且平滑; 控制分配算法通过求解以分配误差和控制输出最小化为优化目标, 以舵故障、舵角饱和以及其他物理限制为约束条件的非线性规划问题, 实现了虚拟舵角向X舵执行机构控制输入的转换, 且赋予了X舵AUV容错运动能力。现场试验结果表明, 所提出的容错运动控制算法产生的舵角指令是平滑的, 且X舵AUV在舵故障后仍保持一定的航行控制能力, 这对设计应用于X舵AUV的容错操舵系统具有一定的指导意义。

基于主被动联合工作声呐探测信息的UKF目标运动要素解算方法

张洪瑞, 苏骏, 李谦, 李斌, 寇小明

2024, 32(2): 354-361. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0045

[摘要](122) [HTML全文] (46) [PDF 1267KB](42)

摘要:
目标运动要素作为水下作战的重要信息, 其解算结果会对目标命中概率产生较大影响, 进而影响打击决策。目前传统的水面舰反潜目标运动要素解算方法信息来源为主动声呐。由于主动声呐采用固定送数周期, 在连续跟踪过程部分时间段目标信息存在空隙, 导致目标运动要素解算结果误差大、收敛速度慢。为了更加快速、准确地获得目标运动要素, 文中将被动声呐观测信息加入到滤波过程中, 使用无迹卡尔曼滤波方法对只采用主动声呐探测信息方式及主被动声呐联合探测信息方式进行仿真研究, 并对结果进行对比分析。仿真结果表明, 在其他条件相同的情况下, 与传统方法相比, 文中方法可明显提高收敛精度和速度, 使速度解算精度平均提升33.55%, 方位角解算精度平均提升38.99%, 航向解算精度平均提升35.29%, 验证了该方法的有效性。

自导作用距离不确知下基于最大熵分布的有利提前角计算

代振, 韩庆伟, 李阳, 吴吉伟, 沈湘钟

2024, 32(2): 362-367. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0102

[摘要](120) [HTML全文] (49) [PDF 1082KB](27)

摘要:
针对鱼雷自导作用距离不确知情况下的有利提前角解算问题, 首先分析自导作用距离对鱼雷射击的影响, 指出当鱼雷的实际自导作用距离小于其装订值时, 解算得到的有利提前角会偏小, 并会导致鱼雷的发现概率明显降低。其次定义了鱼雷的加权平均发现概率, 在此基础上提出了一种最大化加权平均发现概率的有利提前角解算方法。然后基于最大熵原理, 给出了鱼雷实际自导作用距离的2种最大熵分布模型, 得到了该分布模型下的有利提前角求解公式。最后通过仿真得到了鱼雷自导作用距离不确知情况下的有利提前角。

基于高斯过程回归的潜射声自导鱼雷发现概率研究

任斌, 谢超

2024, 32(2): 368-375. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0113

[摘要](110) [HTML全文] (54) [PDF 2363KB](28)

摘要:
明确潜射声自导鱼雷的发现概率, 对相关战术制定具有显著作用。传统解析算法和统计算法无法平衡概率评估的快速性和精确性, 针对此问题, 文中提出了一种基于高斯过程回归的发现概率评估模型, 以及基于解析模型的训练数据集生成方法, 并在特定态势下开展了发现概率评估的数值仿真。结果显示, 文中所提方法具有很好的评估效果, 可为相关战场决策提供理论支撑。

输入饱和下AUV自适应神经网络预设性能控制

徐文峰, 刘加朋, 于金鹏, 韩亚宁

2024, 32(2): 376-382. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0041

[摘要](267) [HTML全文] (85) [PDF 2817KB](43)

摘要:
针对自主水下航行器(AUV)系统不确定性及输入饱和问题, 提出了一种改进的自适应神经网络预设性能控制策略, 完成对期望轨迹的跟踪。首先, 引入非线性变换, 使位置误差始终处在预设时变范围内, 提高了控制精度, 并基于反步法和Lyapunov函数设计系统虚拟控制律; 然后, 利用神经网络技术处理系统模型未知参数, 并重构系统真实控制律, 使传统反步控制策略得以简化, 有效降低了计算复杂度, 并在Lyapunov稳定性理论的基础上, 证明了AUV系统的误差信号均有界; 最后, 与传统动态面控制方法进行对比, 仿真结果表明所提出的控制策略控制性能更好, 在考虑输入饱和情况下可有效克服不确定性对系统性能的影响, 实现对目标轨迹的有效跟踪。

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