水下无人系统学报

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2025, 33(5): 743-743. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-ksy

[摘要](30) [HTML全文](11) [PDF 442KB](9)

摘要:

2025, 33(5): 744-757. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0106

[摘要](189) [HTML全文](44) [PDF 2720KB](66)

摘要:
针对水下狭小空间、多障碍的环境导致传统刚性机械臂作业能力受限的问题。具有细长结构特征的柔性机械臂逐渐成为解决此类特殊场景作业任务的研究重点。文中系统分析了柔性机械臂的发展现状: 首先综述了国内外柔性机械臂的结构设计形式及其优缺点; 然后围绕机械臂建模方法展开讨论, 包括基于几何结构的运动学建模方法、考虑了受力的动力学建模方法和无模型的建模方法; 随后, 梳理了当前柔性机械臂的形状和力感知方法, 主要包括基于外部传感器(尤其是光学和视觉方法)的形状感知方法，以及基于柔性传感器的触觉感知方法。此外, 阐述了柔性机械臂控制方法的最新研究进展, 分析了不同方法的优势和不足。最后, 讨论了柔性机械臂在水下环境中的应用潜力及典型案例, 分析了水下应用需要解决的关键问题, 并展望了后续研究方向，为柔性机械臂的技术优化与水下工程应用提供参考。

水下柔性传感器研究进展

王廷宇, 石柯涌, 吴梦维, 唐伟

2025, 33(5): 758-768. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0093

[摘要](154) [HTML全文](48) [PDF 1908KB](52)

摘要:
随着海洋开发需求的日益增长, 水下柔性传感器凭借优异的柔顺性和环境适应性, 在水下应用领域中展现出巨大潜力。特别是在高静水压、大应变和耐腐蚀等复杂环境下, 水下柔性传感器的集成应用对提升水下软体机器人、潜水装备、海洋探测设备及其他海洋工程系统的感知能力具有重要意义。文中综述了电阻式、电容式、压电式、摩擦电式、光纤及电磁传感等机制在水下环境中的最新应用进展，通过对比不同传感机制的优势和挑战, 系统总结了其在水下有人系统与软体机器人中的应用现状, 重点讨论了在形变、姿态、触觉及流场感知方面的创新性应用。此外文中还提出, 突破水下柔性传感器在适应性和长期可靠性等方面的瓶颈, 聚焦本体感知与环境感知两大应用场景，需重点关注多模态融合、智能解耦与仿生集成技术。这些研究成果为水下柔性传感器的未来发展方向提供了新思路和可行解决方案。

水下软体抓取手研究现状及应用展望

吕怡纬, 胡颢哲, 王泽宇, 曾新培, 武明信, 王晨, 谢广明

2025, 33(5): 769-779. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0107

[摘要](176) [HTML全文](85) [PDF 11438KB](50)

摘要:
随着海洋资源开发和环境保护需求的不断增长, 水下机器人对灵活、安全且高效的软体抓取技术的需求日益迫切。文中阐述了水下软体抓取手的3种主要驱动设计方法: 流体变压驱动、线缆驱动和智能材料驱动。在此基础上, 重点分析了生物启发式设计、刚度调节技术、抓取与感知一体化以及多模态抓取等关键技术的研究进展, 并结合海洋垃圾清理、水产品捕捞、水下考古与文物保护以及生物样本采集等典型应用场景, 分析了软体抓取手在无损取样、多类型物体适应性和深海精细操作等方面的独特优势。最后, 展望了未来研究方向, 指出应重点突破高性能水下智能材料研发、多驱动方式融合, 以及能量与控制系统优化, 以推动抓取手向深海化与智能化演进, 实现水下全场景的可靠作业。

液态金属驱动水下软体机器人研究进展综述

蔡乐尧, 王神龙

2025, 33(5): 780-794. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0080

[摘要](67) [HTML全文](18) [PDF 3993KB](11)

摘要:
随着软体机器人关键技术的快速发展, 液态金属因其独特的低熔点、高导电性、高导热性和良好的流动性, 成为该领域的研究热点。液态金属(如镓基合金)通过磁性增强、电活性增强和结构优化等手段显著提升了其在驱动系统中的辅助应用潜力。同时, 作为导电材料和柔性电极, 液态金属在驱动、传感和多自由度运动中也极具应用潜力。文中系统综述了液态金属的功能特性、驱动与传感技术, 并重点探讨了其在水下软体机器人中的应用现状与挑战。目前, 液态金属为电极的驱动器已实现电热驱动、电化学驱动和磁驱动等多种机制, 传感器则在高灵敏度应变检测、压力感知和多模态信号监测方面取得突破。然而, 水下应用中的多自由度运动仍面临驱动机制复杂、材料稳定性不足和控制系统不完善等技术难题。未来研究需进一步突破这些技术瓶颈, 以推动液态金属水下软体机器人的实用化进程。

面向水下流场感知的仿海豹胡须传感器设计与应用研究进展

万星甫, 周新跃, 王思远, 吴梦维, 徐鹏, 徐敏义

2025, 33(5): 795-817. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0102

[摘要](81) [HTML全文](52) [PDF 9913KB](28)

摘要:
海洋环境感知, 尤其是水下流场的高精度感知技术, 在海洋资源勘探、自主水下航行器(AUV)作业及国防安全等领域具有关键意义。然而, 在低能见度和复杂背景扰动下传统光学与声学感知手段在性能与适应性上均面临严峻挑战。海豹胡须的波浪状几何结构能够显著抑制背景流场产生的涡激振动、提升信噪比, 毛囊窦复合体则赋予其对微弱扰动的高灵敏检测能力, 仿海豹胡须感知技术被视为突破现有感知技术瓶颈的重要方向。本文系统回顾了该技术领域的发展现状, 重点包括: 海豹胡须感知机理的生物学基础; 基于光学、电阻、电容、压电与摩擦电等原理的仿生胡须结构设计、材料选型与性能优化策略; 以及其在固定平台和水下移动平台中的典型应用与实证效果。最后, 归纳了仿海豹胡须感知技术在稳定性、微型化与信号处理等方面面临的主要挑战, 旨在为流场仿生感知技术的理论研究与工程实践提供系统参考与技术支撑。

基于柔触刚夹仿生抓持机理的水下自适应末端执行器

钟树乔, 宋超阳, 周志远, 万芳, 林间

2025, 33(5): 818-825. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0092

[摘要](68) [HTML全文](42) [PDF 2243KB](14)

摘要:
水下夹爪作为水下无人装备的末端执行器，其性能直接决定任务执行效能。当前商业夹爪难以同时满足强负载与高适应性需求, 难以兼顾“无损抓取”与“强力持握”的双重要求。文中提出一种新型仿生刚柔耦合夹爪设计LobSTER Gripper, 灵感源自龙虾钳部生物结构。该夹爪采用“柔性指外覆刚性指”的仿生反转结构: 通过具有被动全向适应性的软体手指实现初始“柔触”包络, 再由内部刚性手指提供可靠“刚夹”持握, 无需复杂驱动控制即可分阶段完成刚度切换, 并可以在手指底部集成视触觉传感实现水下目标的精准感知与稳定抓取。实验验证显示, 该夹爪在位姿扰动场景下抓取成功率达100%, 显著优于传统刚性夹爪的80%。这一设计为水下自适应抓取提供了低成本、高可靠性的易迁移解决方案, 具备显著的工程应用价值与推广前景。

仿螃蟹水下机器人系统设计与实现

李鹏基, 田钰涛, 陈泽瀚, 张大朋

2025, 33(5): 826-835. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0090

[摘要](123) [HTML全文](60) [PDF 2352KB](23)

摘要:
针对水下机器人在复杂地形与强水流阻力环境下易受损、工作效率低等问题, 文中设计了一款仿螃蟹结构的水下机器人。该机器人采用仿生蟹型构型, 搭配防位移蟹腿装置, 集成磁流体推进和牺牲阳极检验装置，可降低水下作业成本并提高水下采样效率。文中设计旨在辅助油气开发的全周期提供技术支撑, 为油气管道铺设、巡检与维修提供指导建议。

蛙人下肢姿态与流场环境动态交互作用研究

邹朋君, 林兴华, 张峻霞, 王浩, 王新亭, 王昊

2025, 33(5): 836-845. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0052

[摘要](45) [HTML全文](22) [PDF 1338KB](6)

摘要:
针对水下运动中蛙人下肢姿态与流场环境的动态耦合机制问题展开研究。首先, 采用流固耦合仿真方法, 构建穿戴式助力装备的蛙人下肢动力学数值模型, 通过与实验结果进行对比, 验证了数值模型的可靠性; 其次, 基于验证模型分析不同航速下水流冲击对蛙人下肢姿态的影响, 揭示了关节角度变化规律; 最后, 基于NSGA-II多目标优化算法得到不同航速时下肢关节角度的Pareto最优解集, 提出了基于姿态补偿的阻力优化策略, 并通过实验验证了优化效果。研究结果表明: 固定航速下, 下肢姿态经历“最大形变—反向调整—动态平衡”3个阶段, 且随着运动速度提高, 下肢稳定姿态更趋于流场自适应平衡点; 在1~3 kn航速范围内, 髋、膝、踝关节的姿态稳定角度与阻力最优角度之间的补偿量分别为−0.78°、2.28°和−1.05°, 在对下肢姿态优化实验验证中, 航速较自由状态提高9.09%, 说明通过下肢姿态角度约束可以提高水下运动性能, 为水下助力外骨骼关节模块的闭环控制和总体的流场适应性设计提供了量化依据。

海上目标磁场多模特征提取方法

董昊, 张宇, 覃维, 陈帅

2025, 33(5): 846-855. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0047

[摘要](63) [HTML全文](32) [PDF 2137KB](12)

摘要:
海上目标会引起周围磁场畸变, 形成目标独特的磁场特征, 该特征广泛应用于目标探测以及舰船隐身战等方面。针对目标磁场多模特征提取问题, 文中依据磁信号产生机理, 建立相遇模式下的磁异常信号模型, 分析同一目标不同源磁场的特征差异。提出一种基于磁特征的变分模态分解(VMD)方法, 通过优化目标磁信号分解参数, 结合频率特征差异实现静磁场与轴频磁场信号的有效分离。采集海上实际干扰信号, 结合仿真目标信号对所提分解方法进行验证, 结果表明，与传统算法相比, 该方法能得到更高信噪比、更低误差的磁场信号。最后, 对舰船磁场进行实际测量, 利用实测数据进一步验证了所提分解方法对海上目标多模特征提取的有效性。

基于机器学习的水下近场爆炸作用下钢筋混凝土板损伤预测

薛铮淳, 陈建宇, 沈隆瀚

2025, 33(5): 856-864. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0059

[摘要](60) [HTML全文](30) [PDF 2310KB](8)

摘要:
钢筋混凝土(RC)板是水下结构典型承重构件, 其水下爆炸损伤预测是工程防护领域的研究难点, 对结构健康状态监测、抗爆设计及安全性评估至关重要。文中提出一种将数值仿真与机器学习相结合的损伤预测新方法。首先, 基于LS-DYNA软件建立流固耦合模型, 采用任意拉格朗日-欧拉(ALE)算法模拟不同爆炸当量与距离下RC板的动态响应及损伤范围; 其次, 基于深度神经网络(DNN)构建损伤预测模型, 通过优化隐藏层结构与神经元配置, 显著提升精度(超98%)并避免过拟合; 进一步引入卷积神经网络(CNN)实现损伤图像自动识别, 大幅提高损伤预测效率。研究发现, RC板损伤区域在一定范围内呈现几何规律性。文中方法为水下爆炸损伤评估提供了新思路, 对防护工程设计具有一定参考价值。

基于随机森林的深水爆炸圆柱壳屈曲预测方法

傅高俊, 马峰, 朱炜, 贾曦雨, 王爽

2025, 33(5): 865-874. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0162

[摘要](75) [HTML全文](26) [PDF 3313KB](6)

摘要:
在深水爆炸条件下, 圆柱壳等耐压结构会出现与浅水环境下不同的失效模式, 即失稳屈曲。为研究圆柱壳结构在深水爆炸条件下发生失稳屈曲的条件, 实现对其屈曲状态的预测, 首先建立了数值仿真模型, 对不同药量、爆距和水深条件下的圆柱壳屈曲结果进行了仿真分析。基于仿真结果, 设计了随机森林模型对屈曲状态进行了预测。结果表明, 在深水环境轴向爆炸的加载条件下, 基于随机森林算法构建的预测模型可以较好地实现对特定结构参数下圆柱壳失稳状态的预测, 2种结构下的预测准确率分别达到了93.75%和87.5%, 并对药量、爆距和静压强度3种特征对结构状态影响的重要性程度进行了评价, 可为圆柱壳屈曲条件研究提供参考。

基于改进人工势场法的无人艇避障路径规划方法

张亚博, 王宏瑞, 张海燕, 肖强, 刘宇鑫

2025, 33(5): 875-882. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0030

[摘要](126) [HTML全文](43) [PDF 1330KB](19)

摘要:
针对无人艇避障局部路径规划问题, 依托人工势场架构, 提出了一种基于经纬度坐标水面态势动态构建的避障局部路径规划方法。首先梳理了经纬度坐标系中的基本运算, 进而推导了传统势函数法的引力及斥力函数形式, 阐述了传统势函数法及其改进方法在工程中存在的虚拟目标点确定困难、被控对象轨迹无法准确预测等问题, 设计了依托水面态势动态构建的改进势函数局部路径规划算法。最后对所设计的方法进行了仿真验证及海上试验, 结果表明, 所提出的避障路径规划工程方法能够引导无人艇完成避障任务, 具有较强的可靠性和鲁棒性。

面向UUV集群应用的水下无线光通信关键技术

朱云周, 胡旭娟, 王晓波, 杨祎, 张建磊, 贺锋涛

2025, 33(5): 883-890. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0120

[摘要](120) [HTML全文](47) [PDF 7616KB](26)

摘要:
无人水下航行器(UUV)集群协同是未来海洋任务的核心能力, 其实现高度依赖于稳定、高效的水下通信技术。水下无线光通信(UWOC)以其高带宽、低延迟等优势, 成为中近距离水下互联的理想解决方案, 然而UUV高速运动引起的动态对准困难与信道衰落问题严重制约了其实际应用。针对上述问题, 文中面向UUV集群的“动中通”需求, 提出了一种集成化UWOC系统框架, 通过宽角域周视大功率发射与多路分集高灵敏度接收的协同设计, 突破运动条件下链路维持与信号稳定接收的技术瓶颈。基于该框架研制原理样机, 并开展系列实验验证。结果表明: 在15.5 m距离、衰减系数约0.54 m⁻¹的水质中, 系统可实现2 Mbit/s速率的稳定通信(比特误码率小于10⁻³); 在10 m距离、衰减系数约0.85 m⁻¹水质及5 kn 航速条件下, 丢包率低于2%。研究结果实现了UWOC技术在高机动、多自由度回转体UUV平台上的初步应用, 为UUV集群协同控制与高速信息交互提供了有效的技术支撑。

基于高速ROV巡航的多波束图像声呐海缆三维重建方法

徐海宁, 王勇, 敬强, 丁同臻, 郁飞, 沈清野, 曹晟哲

2025, 33(5): 891-897. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0036

[摘要](109) [HTML全文](26) [PDF 1867KB](8)

摘要:
海底电缆(简称海缆)是海上风力发电场电能输送的关键通道, 其安全运行对系统稳定性至关重要。然而，海缆所处环境复杂, 目前常规的三维重建方法成本高, 且在深海环境下适应性差。为此, 文中提出一种基于高速遥控水下航行器(ROV)巡航的多波束图像声呐海缆三维重建方法。该方法借鉴了合成孔径思想, 并采用空间雕刻算法简化计算, 综合处理ROV巡航过程中多次声呐观测信息共同反映的空间占据情况。仿真试验结果表明，相较于主流方法，文中方法在使用常规的多波束图像声呐的情况下不仅降低了海缆重建的成本, 还能实现更高的重建精度, 具有良好的应用价值和推广潜力。

任务空间下保证参数估计的自适应双边遥操作控制设计

匡锐, 贾国涛, 罗鑫, 李岩田, 王娴

2025, 33(5): 898-904. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0060

[摘要](83) [HTML全文](26) [PDF 1475KB](9)

摘要:
在任务空间的框架下, 自适应控制技术已广泛应用于双边遥操作系统, 旨在实现主、从端水下机器人在笛卡尔空间的位置和速度精确同步。为了提高遥操作系统的同步性, 现有研究提出了参数估计算法以补偿未知动态的影响，但传统自适应机制难以实现系统参数的精准估计, 因此无法完全补偿未知动态。针对该问题，文中提出了一种面向任务空间遥操作系统的自适应控制策略, 该策略创新性地以参数误差作为参数估计更新的驱动因子, 进而设计了新的自适应律。理论分析证明, 该策略不仅能够实现遥操作系统在任务空间中的位置与速度同步, 还能同时完成对系统参数的精确估计。仿真和理论分析表明，参数估计的收敛性能显著增强遥操作系统的主从同步性，充分证明了所提策略的有效性和优越性。

基于一维注意力机制的卷积神经网络水声目标识别

张羽飞, 赵梅, 胡长青, 郭政

2025, 33(5): 905-913. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0053

[摘要](68) [HTML全文](20) [PDF 1602KB](11)

摘要:
针对基于深度学习的水声目标识别模型存在网络参数复杂、计算成本高等问题, 提出一种轻量级一维注意力机制卷积神经网络水声目标识别模型。首先, 在特征提取阶段, 选择频谱、梅尔谱、色度、谱对比度和色调特征, 将其重构并融合为一维混合特征; 之后, 通过多尺度残差卷积(MRC)以增强混合特征在不同尺度上的特征表达能力; 同时, 引入卷积注意力模块(CBAM), 通过通道注意力和空间注意力模块自适应地调整特征权重, 提升模型对关键区域的关注。实验结果表明, 该模型在ShipsEar数据集上的平均识别率达到98.58%, 表现出良好的分类效果, 且运算量大大减少。

端面双向自密封结构设计与验证

李开福, 管尤亮, 贾国涛, 姜荃, 刘云帆, 焦鹏

2025, 33(5): 914-924. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0020

[摘要](63) [HTML全文](26) [PDF 3983KB](15)

摘要:
为实现水下大口径舱盖的端面双向密封, 并解决合盖过程密封圈反力大的问题, 创新地结合舌形截面良好的自密封优势和燕尾防脱出结构, 设计了5种规格的高低舌双向自密封圈, 采用Abaqus软件对密封圈进行了应力、变形及接触压力等仿真分析, 并试制样机开展了内外压密封试验与旋松、旋紧力矩测试。试验结果与有限元分析结果一致, 高低舌形密封圈能在低反力下实现端面双向自密封, 舌形结构倒角越大, 密封圈与密封面之间的接触应力值越高, 密封效果越好; 密封圈两侧舌高相差越小, 中间平台高度越低, 密封圈越容易被吸出; 降低密封圈的最大高度和中间平台高度能有效降低密封反力, 延长密封圈使用寿命。基于试验结果对密封圈进行改进优化并试制大口径密封圈, 合盖压紧千余次后仍能实现内气压、内水压和外水压的自密封。研究成果可为水下大型承压设备端面密封设计应用提供参考。

智能装备能力评估体系构建方法

彭京徽, 倪远韬, 侯萍, 赵苗, 曲林涛

2025, 33(5): 925-931. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0063

[摘要](64) [HTML全文](29) [PDF 696KB](18)

摘要:
人工智能发展促使战争形态与模式转变, 智能装备已成为智能化战争的核心力量。为了科学衡量智能装备能力, 针对当前面向智能装备评估存在的不足, 文中围绕评估方法、能力指标、核心要素和体系框架展开研究。首先, 系统梳理了传统装备能力评估的常用方法, 归纳总结智能装备评估整体思路; 其次, 从能力要求、性能参数和任务能力等方面, 深入分析了智能装备的能力指标; 再次, 细化智能化多维度能力构成, 给出了智能装备能力评估的关键要素组成; 最后, 提炼安全、生存、性能、效能、保障和融合6大标准模块, 构建了面向智能装备能力评估体系。该研究为智能装备的研发优化、作战效能提升及军事决策制定提供了科学的评估框架与方法支撑。

水下装备体系任务效能评估指标优化

张振华, 王海宁, 宋筱轩, 白俊

2025, 33(5): 932-938. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0046

[摘要](106) [HTML全文](20) [PDF 705KB](22)

摘要:
针对水下装备体系复杂度高、任务阶段性强以及战场环境动态多变导致的效能评估问题, 文中提出一种层次化的效能评估方法。通过构建面向多场景的指标归一化模型, 建立了“场景-指标-权重”的动态映射机制, 结合极大不相关准则精简冗余指标, 并基于简单几何计算和离差最大化组合赋权法实现权重优化。实验结果表明, 该方法在保证评估合理准确的同时能够显著提升计算效率, 为复杂任务环境下水下装备的体系优化与任务部署提供数据驱动的决策支持, 具有一定工程参考价值。

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