水下无人系统学报

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2025, 33(3): 1-1.

[摘要](5) [HTML全文](6) [PDF 3394KB](4)

摘要:

王彪, 罗瑞龙, 王芳, 崔维成

2025, 33(3): 390-399. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0074

[摘要](302) [HTML全文](21) [PDF 854KB](43)

摘要:
深海无人装备作为国家海洋科技实力的战略体现, 已广泛应用于资源探测、海洋科学研究、军事安全及经济开发等核心领域。其控制系统作为实现复杂水下作业的神经中枢, 直接决定装备的任务执行效能。文章系统梳理了深海无人装备的控制理论体系, 包括传统比例-积分-微分控制、基于模型的控制、数据驱动的智能控制及多智能体控制等技术路径, 深入剖析了集中式、分层式、分布式及混合式控制架构的技术特性与工程适用性。通过对比分析导航定位、通信传输和能源供给等关键技术的研究现状, 揭示了模型不确定性、鲁棒控制性能以及多装备协同机制等行业共性挑战。研究表明, 未来控制系统将朝着人工智能深度赋能、集群化协同作业、新型通信与能源技术融合以及跨学科融合的方向发展, 为深海装备智能化转型提供理论与技术支撑。

面向动态障碍环境的AUV三维路径规划

陈超洋, 唐于特, 黄毅, 刘智群

2025, 33(3): 400-409. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0008

[摘要](62) [HTML全文](20) [PDF 5132KB](22)

摘要:
传统算法在自主水下航行器(AUV)面临的高维空间和动态障碍物环境中存在计算负担大、精度不足问题。针对复杂三维环境下动态障碍物对AUV路径规划的挑战, 文中提出一种基于改进的双重深度Q网络(DDQN)的AUV三维路径规划方法。通过网络结构优化和高效奖励函数设计, 显著提升了AUV路径规划效率和精度。此外, 引入了动态障碍物运动轨迹建模, 采用辛格模型和卡尔曼滤波算法实现障碍物状态的精确预测, 增强了AUV的动态避障能力。同时, 采用Basis样条函数对路径进行平滑处理, 改善了AUV航行路径的连续性与稳定性。仿真与实验结果表明, 所提方法在复杂动态环境下能够有效避免碰撞, 实时规划出安全且高效的航行路径。相比传统方法, DDQN算法在路径长度、避障成功率及计算效率方面均展现出明显优势, 有效解决了动态障碍环境中AUV的三维路径规划问题。

基于改进鲸鱼优化和流体扰动算法的AUV多目标路径规划

马裕鸿, 庞文, 朱大奇

2025, 33(3): 410-419. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0054

[摘要](71) [HTML全文](15) [PDF 2441KB](15)

摘要:
针对自主水下航行器(AUV)在多目标环境中路径规划效率低、传统鲸鱼优化算法(WOA)易陷入局部最优且难以适应三维避障需求的问题, 提出一种融合流体扰动算法与改进鲸鱼优化的协同规划策略。通过混沌映射生成高覆盖率初始解, 结合贪心算法构造局部最优序列, 设计混合种群初始化方法, 解决传统WOA随机初始化导致的解质量差问题。针对旅行商问题(TSP)的离散特性, 提出基于随机插入与局部翻转的离散化位置更新策略, 增强算法逃离局部最优能力。引入精英保留机制, 通过最优个体定向替换最差个体的迭代优化模式, 保障算法全局收敛性。在路径生成阶段, 建立三维流体扰动场模型, 通过障碍物扰动矩阵修正原始流场方向, 实现复杂障碍物环境下的连续避障。仿真结果表明: 文中所提算法较传统遗传算法和粒子群算法平均路径长度分别减少15.4%和7.5%, 计算效率提升45.5%和16.8%。

基于改进MPC算法的ROV定深控制策略

杨硕, 王泓晖, 刘新宇, 房鑫, 李广浩, 刘贵杰

2025, 33(3): 420-432. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0172

[摘要](26) [HTML全文](7) [PDF 2643KB](14)

摘要:
针对有缆遥控水下机器人(ROV)在复杂海洋环境中受到外界干扰影响, 导致深度控制稳定性较差的问题, 提出了一种基于改进模型预测控制(MPC)的复合控制策略。该策略旨在实现高精度定深控制, 同时显著提升ROV在突发外界扰动下的鲁棒性和抗干扰能力。首先, 引入非线性海洋捕食者算法(NMPA)对MPC的关键控制参数进行优化, 以确保ROV在复杂海洋环境中能够实现快速、精确的深度跟踪; 其次, 考虑到传统MPC算法在面对较大外界扰动时的控制效果会受到影响, 该策略引入非线性干扰观测器(NDO)实时补偿外界扰动, 以提升ROV的控制性能与鲁棒性。仿真结果表明: 所提策略使ROV的稳态时间比传统MPC缩短约30%, 超调量降低约10%; 在干扰条件下, 最大超调量降低约27.7%。该策略显著提升了ROV的定深控制性能, 表现出更高的跟踪精度和抗干扰能力。

基于扩张状态观测器的ARV非线性扰动估计

刘霄汉, 赵晨豪, 聂浩淼, 项锋, 李晨光, 赵敏

2025, 33(3): 433-440. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0035

[摘要](29) [HTML全文](6) [PDF 2364KB](9)

摘要:
自主/遥控式水下机器人(ARV)在水下路径跟踪任务中易受复杂流场的干扰影响, 传统线性观测器面对流场的非线性扰动表现不佳。文中针对“思源号”ARV的非线性扰动估计问题，提出一种动态高增益扩张观测器方法。首先, 构建了ARV的非线性运动学与动力学模型, 并通过海试路径跟踪试验获得了外部干扰数据。其次, 引入动态增益补偿机制处理非线性系统观测问题, 有效克服了传统方法中利普希茨(Lipschitz)函数系数获取困难与参数整定依赖经验的难点, 并且通过引入性能约束参数解决了动态增益收敛性问题。为验证方法有效性, 开展与传统龙伯格观测器的对比仿真实验。结果表明, 所提观测器在干扰力、干扰力矩、纵荡速度、垂荡速度及艏摇角速度等状态估计中具有更快的收敛速度与更高的稳态精度, 显著提升了复杂扰动下的状态跟踪能力。

基于三级递阶航速调节的AUV平面运动航迹跟踪控制方法研究

孙浩楠, 王磊

2025, 33(3): 441-449. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0029

[摘要](29) [HTML全文](21) [PDF 1196KB](13)

摘要:
针对自主水下航行器(AUV)水下运动时经常出现的航迹超调问题, 文中提出了一种融合自适应视线导引算法与三级递阶航速控制架构的协同控制策略，将航迹末端距离参数引入控制决策, 通过三级递阶控制策略实现航速的动态分配。仿真结果验证了基于三级递阶控制策略的动态航速调节机制的有效性, 通过实时计算AUV与期望航迹段终点的距离偏差, 控制器能够在大曲率转向需求触发前, 主动实施分级减速策略, 从而有效抑制因动量累积引发的轨迹偏移现象。对比航向航速双闭环算法, 在相同的轨迹下, 文中方法超调量减少了34.15%, 使得AUV在转弯时仍能准确沿预定轨迹行驶, 显著减少轨迹偏差。

基于数值仿真的仿生波动鳍变速推进特性分析

许传新, 刘贵杰, 马鹏磊, 李广浩, 姚兵, 曾嘉俊

2025, 33(3): 450-458. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0001

[摘要](65) [HTML全文](23) [PDF 2663KB](16)

摘要:
仿生波动鳍机器人的水动力性能对其精准控制具有重要意义。文中通过数值仿真的方式对波动鳍加、减速过程中的水动力响应机制进行分析, 揭示了变速阶段推进力与控制频率的关系。研究结果表明: 加速阶段，当频率从低频升至高频时, 低频阶段残留的涡旋与高频阶段新产生的涡旋融合, 导致推力高于稳态值, 可通过适当增大频率进行控制; 减速阶段，频率降幅较小时, 涡旋脱落滞后, 产生长时间不规则的较高推力, 可适当降低频率梯度以减小这种影响，而当频率降幅过大时, 效果会明显减弱。文中研究可为仿生波动鳍机器人变速精确控制提供理论支持, 有助于提升控制系统稳定性。

基于自适应多目标优化的UUV全覆盖路径规划方法

赵少靖, 付松琛, 白乐天, 郭雨桐, 黎塔

2025, 33(3): 459-472. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0031

[摘要](62) [HTML全文](22) [PDF 1187KB](21)

摘要:
全覆盖路径规划作为无人水下航行器(UUV)在未知水域环境中的一项关键任务,受环境不确定性、运动约束和能耗限制等因素影响, 传统路径规划方法难以适应复杂场景。文中提出了一种基于自适应多目标优化的UUV全覆盖路径规划方法, 结合近端优化强化学习算法与动态权重调节机制, 通过奖励目标的相关性分析与线性回归估计, 自适应调整不同优化目标的权重, 使UUV能够在未知障碍物和洋流环境中自主规划高效的覆盖路径。为验证方法的有效性, 构建了一个基于二维仿真环境的UUV运动与声呐探测模型, 其中UUV运动模型在6自由度刚体运动的基础上简化为平面运动, 并在多种障碍物分布与随机洋流条件下进行了对比实验分析。实验结果表明, 相较于传统方法, 该方法能够在提高覆盖率的同时优化任务完成率、轨迹长度、能耗与信息延时等关键指标。其中, 覆盖率提升4.03%, 任务完成率提高10%, 效用值提升10.96%, 任务完成时间缩短14.13%, 轨迹长度减少26.85%, 能耗降低10.3%, 信息延时减少19.34%。结果证明该方法能够在复杂环境中显著提升UUV的适应性和鲁棒性, 为自主水下探测任务提供了新的优化策略参考。

基于IDVD的AUV实时运动规划算法

刘国顺, 郭威, 兰彦军, 符一凡

2025, 33(3): 473-483. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0033

[摘要](43) [HTML全文](6) [PDF 1753KB](13)

摘要:
为了提升自主水下航行器(AUV)的智能化程度, 文中提出一种基于逆动力学虚拟域(IDVD)方法的实时运动规划算法, 确保其在未知障碍物环境中安全航行。考虑到AUV自身计算资源有限, 为保证较高的计算效率并实现实时规划，算法采用分层结构框架：首先通过路径规划算法搜索全局安全路径, 然后在前视声呐的感知范围内进行路径优化, 生成安全可行的轨迹，针对欠驱动AUV的运动学约束, 全局路径搜索采用混合A*算法来寻找安全路径，并构建非线性优化问题以提高路径的平滑性和安全性；利用IDVD方法获得可行的AUV速度和加速度轨迹, 并作为参考输入引导AUV航行。为了验证所提出的运动规划方法, 对“海魟二号”AUV进行了仿真和实验，结果表明文中方法能够在未知复杂环境中为AUV实现高效的在线轨迹规划。

基于文献分析的水下多机器人追逃问题研究进展

雷振坤, 陈铭治, 朱大奇

2025, 33(3): 484-494. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0032

[摘要](61) [HTML全文](8) [PDF 1347KB](12)

摘要:
研究多机器人追逃问题在水下环境中的应用和挑战, 对提升水下机器人系统自主决策和协同能力具有重要意义。文章通过检索Web of Science Core Collection数据库, 筛选了2004—2024年间的2 200余篇相关文献, 对追逃问题的定义、研究现状、智能追逃方法及其在水下环境中的应用进行了全面分析。重点分析了强化学习、模型预测控制、阿波罗尼斯圆和人工势场4种智能追逃方法的原理、优缺点及适用性。研究发现: 强化学习通过训练优化策略以适应复杂环境, 但训练周期较长; 模型预测控制基于未来状态预测来制定策略, 准确度高但实时性面临挑战; 阿波罗尼斯圆利用几何关系来优化路径; 人工势场法则使用虚拟力场引导机器人。在水下环境中, 机器人追逃博弈面临洋流扰动及通信受限等多重挑战。文中总结了现有方法在水下环境中的应用潜力和存在的问题, 并提出了未来研究方向, 包括开发更高效、适应性更强的智能追逃算法等, 以应对复杂水下环境技术需求, 为水下多机器人系统追逃策略设计提供理论参考。

基于变截面流道形式的深海多金属结核采集装置集矿特性分析

魏佳康, 张修占, 刘茜茜, 刘建成, 李磊, 陈峰落, 张铁栋, 李浩

2025, 33(3): 495-503. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0044

[摘要](23) [HTML全文](7) [PDF 1872KB](13)

摘要:
深海矿产资源开发的快速发展对装备技术提出更高要求, 其中多金属结核水力采集装置因复杂流-固耦合作用导致的流道结构设计缺陷, 造成结核捕获效率显著降低, 严重制约深海采矿商业化进程。文中针对被广泛应用的双排射流与附壁射流装置, 基于剪切应力传输 k-ω湍流模型和离散元方法(DEM)的数值分析方法, 探究2种水力集矿方式的流场分布、颗粒运动规律以及采集头与变截面式流道的搭配性。结果表明: 2种采集方式的输送流率均随射流流量的增大而增大, 射流流量在一定范围内对采集率影响较小, 流道构型对采集率的影响较大; 双排射流由于受漩涡等非均匀流场的影响, 流道入口处阻碍了结核的有效提升, 双排射流的采集率仅有80%; 附壁射流由于其均匀分布的流场结构, 表现出较优的结核开采能力, 采集率约为95%; 相同结构尺寸及水力参数条件下, 附壁射流的集矿能力与流道的搭配性更优, 双排射流在商业化应用设计中应重点解决流场漩涡等负面影响。文中研究可为深海多金属结核高效采集装置的结构设计提供参考。

ROV协同沉船开孔稳定约束方法

郭东军, 王旭阳

2025, 33(3): 504-510, 526. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0037

[摘要](40) [HTML全文](10) [PDF 3049KB](11)

摘要:
遥控水下机器人(ROV)协同沉船开孔是实现水下开孔与抽油一体化的重要技术环节。目前工程领域关于该控制场景下的研究进展有限, 尚缺乏有效方法对ROV协同沉船开孔的位姿实现稳定约束。文中针对ROV协同沉船开孔过程中的位姿稳定性要求, 类比地面作业设备的稳定性原理建立了ROV协同沉船开孔的稳定性判据, 并基于此判据提出了一种推力修正算法。通过对各推进器的推力进行修正, 确保协作体受力状态满足稳定性判据, 从而实现对协作体位姿的稳定性约束。仿真结果表明, 所提出的稳定约束方法能够有效保持协作体在作业过程中的位姿稳定; 在稳性状态方面, 与推力修正前的状态相比, 协作体从非稳定约束状态进入到稳定约束状态, 充分验证了所提方法的有效性与可行性。

小型水下航行器近场高频回声强度特性研究

曹浩, 张鑫泽, 张俊, 樊书宏

2025, 33(3): 511-517. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0146

[摘要](36) [HTML全文](7) [PDF 1386KB](13)

摘要:
针对小型水下航行器探测和识别的需求, 开展其近场高频回声强度特性建模及仿真研究。利用板块元方法, 基于典型圆柱型航行器目标, 计算分析了其近场回声强度, 给出了回声强度空间分布特性。在此基础上开展了水池实验, 对比分析了实验实测结果和仿真结果的一致性和变化特性, 结果表明仿真和水池实验结果在空间分布趋势上具有一致性, 小型水下航行器在头段端面方位和正横方位具有较强的回声强度, 小型水下航行器近场高频回声强度特性呈蝶形特征分布。

一种基于数据驱动的AUV锋面跟踪算法

鲁杰阳, 文永鹏, 郭倩, 朱心科, 焦君圣

2025, 33(3): 518-526. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0151

[摘要](35) [HTML全文](17) [PDF 5587KB](10)

摘要:
针对自主水下航行器(AUV)自适应观测的需求, 设计了一种基于数据驱动的海洋锋面跟踪算法。该算法通过构建基于高斯过程回归(GPR)和粒子群优化(PSO)算法的混合温度场预测模型, 以预采集数据作为先验数据对模型进行训练, 利用PSO算法对核函数中的超参数进行迭代优化, 再将优化后的超参数代入GPR模型, 获得邻近温度场预测结果。计算AUV所在位置与预测区域的温度梯度值, 根据AUV在锋面中的不同位置, 来选择相应的温度梯度跟踪策略, 保持其沿梯度方向运动或是沿等温线跟踪, 实现AUV对锋面的快速跟踪。为了验证算法的有效性, 采用真实锋面数据对该算法进行仿真测试, 结果表明, 该算法相较于其他方法, 在跟踪锋面的准确性和快速性上均有更好的效果, 可以满足AUV高效自主观测的需求。

基于模糊方法的自主水下航行器滑模控制

李荣昌, 白华军, 张景熙, 张义

2025, 33(3): 527-534. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0149

[摘要](144) [HTML全文](53) [PDF 1441KB](24)

摘要:
欠驱动自主水下航行器(AUV)具有模型高度非线性、被控变量强耦合且存在参数不确定等特点, 同时还受海洋环境中难以量测的扰动影响, 上述因素导致系统控制器的设计难度较大。另外, 现有成果大多采用AUV的简化模型或仅考虑某一维度的模型, 由于AUV被控变量强耦合, 因此所设计的控制器只适用于简化模型, 无法扩展到原始的非线性AUV系统。为解决上述问题, 文中针对欠驱动AUV系统, 设计了一种基于T-S模糊模型的自适应滑模控制器, 该控制器具有高通用性和强鲁棒性, 适用于复杂的AUV系统。首先, 采用T-S模糊建模方法对非线性、存在参数不确定的AUV系统进行线性化, 得到系统全局线性化模型。同时, 将系统内部不易获得精确值的参数项转化为系统不确定项, 得到其重构表达, 并将其分解以提高控制器参数求解自由度。其次, 考虑系统存在内部执行器故障及外部环境干扰的情况, 设计了自适应滑模控制器, 能够对未知参数进行估计, 从而自适应更新控制律以稳定系统。通过Lyapunov稳定性理论确保了闭环系统的稳定性以及系统状态可达性。最后, 通过仿真实验验证了文中所设计控制器的有效性。

不同药量比对串联两装药水下爆炸威力影响研究

张薇, 郭锐, 崔浩

2025, 33(3): 535-544. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0142

[摘要](22) [HTML全文](12) [PDF 2711KB](11)

摘要:
为了探究串联两装药前后级不同药量比对水下爆炸威力的影响, 基于水中冲击波经验公式对串联两装药水下爆炸冲击波冲量进行理论分析, 对不同药量比串联两装药的水下爆炸威力进行数值仿真计算, 对比分析了相同药量下不同药量比串联两装药和单装药水下爆炸输出冲量规律和对目标结构的毁伤效果, 同时开展了串联两装药对目标结构毁伤的缩比水箱试验。结果表明: 在总装药量为400 gTNT时, 串联两装药结构水下爆炸输出冲量及对靶板作用效果明显优于单级装药, 且串联两装药水中爆炸威力随着前后级药量比η的增加而增大, 且当η=1∶1时冲量增益和靶板变形挠度最大, 冲量增益提高了27.43%, 靶板变形挠度提高了23.58%。小药量缩比试验结果与理论分析、数值仿真结果有较好的一致性。

基于深度学习的水下爆炸冲击响应谱求解器

王爽, 吕峰, 马峰, 陈思, 朱炜, 韩峰, 黄沁怡

2025, 33(3): 545-551. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0144

[摘要](113) [HTML全文](104) [PDF 1406KB](21)

摘要:
船舶冲击响应具有短时性和复杂性, 通常使用冲击响应谱(SRS)作为其分析工具。为克服传统SRS求解方法存在的计算速度与精度之间的矛盾, 文中提出一种基于深度学习的SRS快速求解器, 并根据SRS的特点设计自适应阈值选择机制, 提升求解器计算精度。对比求解器得到的SRS与采用传统方法计算的结果, 两者显示出高度一致性, 从而验证了求解器的有效性。此外, 文中在求解过程中引入L2正则化技术, 有效避免了过拟合现象的发生, 进一步增强了求解器的鲁棒性。

典型浅海环境下阵列声源波束角对声传播影响分析

卢艳阳, 陈清浪, 李勋, 王兆弘

2025, 33(3): 552-558. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0150

[摘要](25) [HTML全文](10) [PDF 1942KB](10)

摘要:
随着主动声呐技术的发展, 主动声呐的波束输出能力成为工程研究中的关注对象, 对于典型垂直线列阵声源, 研究其声信号波束角变化对声传播的影响很有必要。文中基于声场简正波理论推导了阵列声源的声场信号表达式, 发现声场信号主要受阵列声源在各阶模态的波束输出和接收深度上的模态幅度采样两者影响, 仿真结果表明, 波束声信号在接收深度上有明显的强弱分布结构, 且存在随声源深度增大最优波束角偏离0°越远的现象。文中基于推导的声场公式对现象机理进行了解释, 进而给出了典型浅海环境下不同声呐收发位置关系下的最优波束角设计建议, 为主动声呐声源波束设计研究及合理收发位置布设提供指导。

声呐图像智能感知算法综述

焦文沛, 李杰, 张春燕, 谢广明, 肖文栋, 张建磊

2025, 33(3): 559-572. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0127

[摘要](106) [HTML全文](37) [PDF 756KB](33)

摘要:
声呐图像智能感知算法在海洋探测与水下救援中具有至关重要的作用。近年来, 深度学习技术在声呐图像智能感知任务中取得了显著进展。文中对该领域进行了全面梳理, 从声呐图像数据集与数据增强技术、经典的声呐图像处理算法以及基于深度学习的声呐图像处理方法3个方面进行探讨。首先, 归纳了不同任务的开源数据集与常用的数据增强技术, 为后续研究提供数据支撑; 其次, 系统回顾了从经典算法到基于深度学习的先进算法在不同任务中的应用与发展现状, 旨在为研究者提供系统的领域概览; 最后, 展望了未来的研究方向, 指出可通过获取更大规模的声呐图像数据、设计更强健的算法以及开发更适用于真实水下场景的任务设置等方面, 进一步提升声呐图像的解译能力。

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