水下无人系统学报

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熊露, 李京书, 饶喆, 霍治帆

2025, 33(1): 1-14. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0152

[摘要](159) [HTML全文](31) [PDF 2023KB](51)

摘要:
水下航行器惯性导航误差随时间推移会不断累积, 地形高程匹配技术以地形特征为定位依据, 能够根据实测地形为惯性导航系统提供所需的持续位置修正信息, 是国内外水下辅助导航领域的研究热点。文章以水下航行器地形匹配高程算法的发展为研究对象, 首先指出当前水下航行器导航定位所面临的问题, 在此基础上介绍了水下航行器地形匹配的基本原理及系统组成, 并以水下地形匹配算法的发展为脉络, 按序依次阐释了地形匹配算法发展中的主要阶段及典型算法的原理和优缺点; 然后, 分别介绍了国内外水下地形匹配算法的原理改进和试验应用情况; 最后, 简要总结国内外在水下地形匹配算法方面研究的侧重点, 并结合并行计算、多波束声呐和水下地形特征分析三方面技术的发展, 探讨了提高水下匹配算法性能的有效途径, 可为本领域研究人员提供借鉴参考。

洋流环境下基于DVFH+的AUV避障控制

朱仲本, 张嘉豪, 薛祎凡, 秦洪德

2025, 33(1): 15-23. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0077

[摘要](124) [HTML全文](42) [PDF 1325KB](38)

摘要:
针对向量场直方图法(VFH)的改进算法VFH+忽视自主水下航行器(AUV)动力学性能和洋流环境的影响, 且对阈值设置敏感的问题, 文中提出了一种基于动力学的VFH+(DVFH+)。通过AUV的动力学参数来限制期望艏向的输出, 解决了原算法期望输出跳变的问题, 从而改善了AUV的跟踪性能; 考虑真实洋流环境下的漂角补偿, 优化了避障算法, 提高了其鲁棒性和适应性; 根据障碍物信息自适应调节阈值大小, 从而计算得到符合AUV周围环境特征的规划指令, 保证航行的高效性和安全性。采用REMUS 100 AUV模型进行仿真实验, 结果表明, 文中所提出的DVFH+能给出更加光滑可行的避障路线, 适用于复杂环境下的AUV避障, 且有效避免了原算法因阈值设置不合理导致的路径绕远及规划失败等情况。

带有输入时延的多无人艇系统固定时间编队控制

李健翔, 张文乐, 黎明

2025, 33(1): 24-36. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0039

[摘要](108) [HTML全文](39) [PDF 1650KB](29)

摘要:
近年来, 固定时间编队控制是多无人艇(USV)系统的研究热点, 而输入时延问题是多USV系统固定时间编队过程中亟待解决的关键科学问题之一。鉴于此, 在一般的有向交互拓扑结构下, 文中针对含有输入时延的多USV系统的固定时间编队控制问题开展了深入研究。首先, 应用Artstein约简方法将带有输入时延的多USV系统转化为具有2阶积分形式的含有扰动的控制系统。其次, 为了克服系统扰动影响, 仅使用USV的相对位置信息, 构建固定时间状态观测器对系统状态进行估计。在此基础上, 结合反步法, 提出了一种分布式固定时间编队控制协议, 实现了含有输入时延的多USV系统固定时间编队控制。最后, 通过仿真实验验证了所提理论结果的正确性。

海流扰动下ROV自适应神经网络控制

李相衡, 闫昭琨, 楼建坤, 王鸿东

2025, 33(1): 37-45. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0045

[摘要](366) [HTML全文](112) [PDF 1391KB](57)

摘要:
针对水下遥控机器人(ROV)在模型参数不确定和海流扰动下的运动控制问题, 基于有限时间命令滤波和径向基函数(RBF)神经网络设计出一种自适应反步控制系统。首先, 基于马尔科夫过程构建随机海流模型, 并构建海流扰动下的ROV数学模型; 其次, 针对期望速度引入命令滤波技术, 以减少传统反步法迭代导数带来的计算量; 然后, 利用RBF神经网络对ROV模型的不确定项和外部未知扰动进行估计, 并设计自适应神经网络控制器; 最后, 利用李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环控制系统的稳定性。仿真结果表明, 文中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的不确定项和海流扰动对ROV运动的影响。

基于光照补偿与金字塔融合的水下图像增强方法

岳成海, 徐会希, 吕凤天, 邵刚, 朱宝彤, 尹忠勋

2025, 33(1): 46-55. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0082

[摘要](70) [HTML全文](27) [PDF 3423KB](30)

摘要:
水下光学成像存在色偏、散射模糊与亮度不均的问题, 现有的基于深度学习的方法与基于水下成像像质退化模型的图像增强方法存在鲁棒性差的问题。针对上述问题, 文中提出光照补偿与金字塔细节融合的单幅水下图像增强方法。首先, 结合全局照度与色彩通道特性在像素级实现光照强度的估计与补偿, 实现各色彩通道的强度校正; 然后, 以高斯模糊估计图像散射分量并采用多尺度高斯滤波残差法去散射; 最后, 提出融合边缘增强、自适应Gamma校正及亮度均衡的多图金字塔细节融合亮度均衡方法, 较好地保留图像细节信息的同时, 解决图像亮度不均问题。对比现有方法, 文中方法适应性更好, 在水下图像质量评价指标与水下图像颜色质量评价指标等方面都具有性能提升的优势。

一种面向受限水域应用的水声-WIFI双链路协同控制AUV

张檬, 魏博文, 金均昊, 童峰, 张福民

2025, 33(1): 56-64. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0117

[摘要](75) [HTML全文](26) [PDF 2787KB](22)

摘要:
自主水下航行器(AUV)水下控制链路一般采用水声通信链路。对于浅海岸滩、水库、湖泊、管渠及洞穴等水域地形复杂的受限水域, 复杂多径会对高速率水声通信性能造成严重影响, 而有限水域深度为无线链路的应用提供了可能性。面向此类应用, 文中设计了一种采用水声和WIFI双链路协同控制的小型AUV: SubseaBuddy-3, 其水声链路采用低速率扩频水声通信方式以保证强多径条件下的通信可靠性, 而高速率WIFI链路则可在浅水区工作, 或应用于布放前的功能调试测试, 以及回收阶段的控制和观测。通过水声链路、WIFI链路在不同工作深度、不同信息获取/回传状态进行协同, 可满足受限水域条件下可靠指控、水下图像实时/准实时回传的需求。同时, AUV配备惯性测量单元和深度传感器, 可进行姿态和深度控制。水池实验证实了双链路AUV的工作有效性。

基于LQR和ZOA的无人水面水翼航行器耐波性研究

水新华, 段富海

2025, 33(1): 65-73. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0083

[摘要](101) [HTML全文](30) [PDF 1113KB](26)

摘要:
文中选取横摇、纵摇和垂荡运动幅值为衡量耐波性的指标, 采用线性二次型调节器(LQR), 并用斑马优化算法(ZOA)优化LQR参数, 完成了无人水面水翼航行器耐波性研究。首先, 以无人水面水翼航行器为研究对象, 以差动襟翼转动角度和电机推力作为控制变量, 建立其运动学与动力学模型, 并将数学模型进行线性化处理; 然后, 将不规则海浪的质点垂加速度与波倾角作为干扰, 采用Simulink进行LQR仿真; 以降低无人水面水翼航行器航行过程中的运动幅值为目标, 在不同采样频率及种群数量下, 分别使用ZOA和粒子群算法对LQR的参数进行寻优并作对比; 最后在不同遭遇角的随机海浪干扰下对耐波性指标进行仿真分析, 验证LQR和ZOA算法的有效性与可行性, 并给出无人水面水翼航行器的合理航向角, 为其姿态控制及耐波性研究提供理论参考。

基于频差匹配场的水下宽带高频目标被动定位

黎佳艺, 周建波, 李少猛, 石敏, 王雅芬

2025, 33(1): 74-83. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0136

[摘要](102) [HTML全文](38) [PDF 3688KB](17)

摘要:
高频信号在传播过程中易受环境不确定性的影响, 导致传统匹配场方法在高频段定位性能退化。为改善这一问题, 文中给出了基于频差匹配场的高频信号被动定位方法, 对高频带宽内不同频率的阵列接收数据进行二次积处理, 以构造远小于原频率差频处的声场结构。在差频处应用已建立的匹配场定位算法, 将宽带高频信号降低到低频段处理。首先, 给出了频差法的原理并对浅海多径传播到达掠射角进行准确估计, 在此基础上, 分别给出了适用于浅海和深海的频差匹配场物理模型。最后, 通过仿真证明了文中所提方法在不确定环境中对高频信号定位性能明显优于传统方法。

基于结构张量的图像融合方法在海上探测的应用

马晓熠, 陈奕宏, 王飞, 谢硕

2025, 33(1): 84-91. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0066

[摘要](57) [HTML全文](18) [PDF 1830KB](16)

摘要:
单一传感器无法在海上探测中取得良好的效果。红外与可见光具有很强的互补性, 将二者融合可以得到高质量的融合图像, 能够更准确、全面地感知海上目标。然而现有的融合方法并未应用于海上探测领域, 融合方法均缺少针对性, 融合效果差, 并且缺少应用于海上融合的深度学习数据集。文中对基于结构张量的深度学习图像融合方法进行研究, 针对海上目标的特点进行改进与优化, 加入多尺度卷积并按照通道对图像进行融合, 旨在获取目标显著且信息全面的高质量彩色融合图像。使用采集的数据进行实验, 综合选取多种评价指标开展对比仿真实验研究。研究结果表明, 改进的图像融合方法在6个指标上的融合效果优于原始算法, 综合性能优于其他常用的10种图像融合算法, 改进方法的泛化性在其他公开数据集上得到了验证。改进后的基于结构张量的图像融合方法在海上感知中有优异的表现, 融合结果突出目标特征, 融合性能优于其他方法。

结合背景建模的水下运动发光目标阈值分割方法

王嘉, 关夏威, 张昊, 付少波, 张宇昂, 宋清华

2025, 33(1): 92-98. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0107

[摘要](96) [HTML全文](34) [PDF 1193KB](25)

摘要:
针对水下运动发光目标的视觉定位提出了一种结合背景建模的自适应阈值分割方法。首先基于高斯混合模型进行背景建模, 粗略筛选出图像中具有动态特性的若干区域; 然后在HSV色彩空间中对这些区域内像素的特征进行分析, 以此判别区域内是否存在目标; 得到包含有目标的区域后应用Otsu法计算区域内的分割阈值; 最后, 基于该阈值对包含目标区域进行二值化处理实现目标提取。该方法为缓解水下复杂场景中亮度变化和杂物干扰给视觉定位造成的影响, 充分利用了目标的运动状态以及颜色、亮度属性, 将背景建模和阈值分割相结合, 提高了分割的精准度和稳定性。试验结果表明, 该算法针对亮度变化、光晕模糊及气泡干扰等水下视觉定位中的常见问题具有较强的适应性, 且不依赖于初始参数的选取, 较为适合于工程应用。

基于视觉-惯性-压力融合的水下定位方法

张箭, 胡桥, 夏寅, 石麟, 李洋阳

2025, 33(1): 99-107. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0061

[摘要](194) [HTML全文](65) [PDF 2602KB](53)

摘要:
水下机器人在水下非结构化环境作业时, 难以依赖外部基站进行定位, 多传感器融合自主定位在此类环境具有重要应用价值。文中针对水下多传感器融合定位中视觉定位稳定性差、惯性导航存在较大漂移等问题, 提出一种紧组合视觉、惯性及压力传感器的多传感器融合定位方法。通过图优化方法进行多传感器融合, 基于深度信息对视觉惯性数据进行误差辨识以提升融合数据质量; 针对融合定位过程中出现的漂移和定位丢失问题, 采用深度传感器进行权重分配以提供更加细致的系统初始化, 同时引入闭环检测和重定位方法, 有效改善漂移和定位丢失的问题。通过试验验证发现, 所提出的融合定位算法相较于视觉惯性融合定位方法精度提升48.4%, 具有更好的精度和鲁棒性, 实际工况定位精度可达厘米级。

一款基于表面波发射器的全息天线设计

任明

2025, 33(1): 108-112. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0122

[摘要](67) [HTML全文](27) [PDF 1783KB](11)

摘要:
文中选取半带地介质的半开放导波结构对TM模式表面波发射器进行改进, 仿真分析其产生的表面波场。基于改进的表面波发射器, 设计相应的全息调制表面, 进而实现了一款基于表面波发射器的全息天线, 之后对所设计的表面波发射器和全息表面波天线进行傅里叶分析, 验证了理论设计的正确性。

跨介质固定翼飞行器翼型优选及变弯度影响分析

陆吉昕, 宋文滨, 曹润桢, 梁一帆, 冯留柱, 祁洋

2025, 33(1): 113-123. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0125

[摘要](74) [HTML全文](45) [PDF 2395KB](27)

摘要:
实现水空跨介质飞行的关键包括跨介质飞行剖面设计以及同时满足空中巡航的气动效率和水下滑翔对机翼翼型的不同要求。文中以一小型跨介质飞行器为平台, 首先提出了一种基于传统固定翼飞行器与水下滑翔机融合设计的跨介质飞行剖面方案, 确定若干典型工况, 并根据工况选定基于NACA00和NACA44系列的备选翼型, 采用Fluent的可压流动模型, 对备选翼型集开展数值分析, 通过数值仿真计算了备选翼型在空气与水中的升阻比、升力线斜率、升阻系数和力矩系数等气动和水动力特性, 作为跨介质固定翼飞行器翼型的优选目标函数和约束条件。重点分析了其水下航行剖面下的优选翼型以及相应的飞行/潜航运动参数之间的关系, 特别是翼型弯度变化对水下续航时间和航程的影响, 为跨介质飞行器的方案设计提供翼型优选决策, 建立的分析流程可为翼型的参数优化提供参考。

基于逆运动学和足端轨迹优化的水下六足机器人控制系统设计

路纲泰, 杨柯, 陈徽

2025, 33(1): 124-130. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0087

[摘要](264) [HTML全文](57) [PDF 1796KB](51)

摘要:
水下六足机器人具有强带负载能力和地形适应能力, 非常适合在复杂多变的海底环境进行近地观测和采样。控制系统是实现水下六足机器人稳定行走的关键技术。文中提出了基于逆运动学和足端轨迹优化的水下六足机器人控制系统设计方法。建立D-H坐标系, 推导出足端轨迹与关节角之间的解析关系(正运动学); 通过多项式优化的方式规划出平滑的足端轨迹, 进而求解出对应的关节角(逆运动学); 以PC104为主控单元, 在ROS2环境中进行足端轨迹优化和逆运动学求解, 通过EtherCAT技术实现关节电机的同步跟踪, 设计出适用于水下六足机器人的控制系统。在水池中对水下六足机器人的典型运动方式(直行和转动)进行了验证，实验结果表明, 文中设计的控制系统可以实现水下六足机器人的稳定行走。

水下清淤串并混联机械臂机构设计与仿真分析

夏寅, 苏文斌, 胡桥, 张箭, 石麟

2025, 33(1): 131-141. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0067

[摘要](70) [HTML全文](30) [PDF 3809KB](22)

摘要:
近年来, 采用水下机器人清理水库底部淤泥逐渐成为一种全新的水下清淤解决方案, 水下机械臂则是其实现清淤作业的主要工具。针对清淤过程中串联机械臂结构刚度低、可靠性差等问题, 文中结合串联机械臂和并联机械臂设计了一款水下串并混联机械臂。首先通过螺旋理论设计了混联机构并完成了机械臂结构设计, 然后通过有限元仿真软件进行强度校核和静刚度分析, 结果表明串并混联机械臂与串联机械臂相比具有更高的结构刚度。该研究结果可对进一步改进和优化水下机械臂的设计提供理论与技术支撑。

反海底掩埋目标毁伤技术可行性分析

李炜辰, 康松逸, 蔡一, 高源, 贾曦雨

2025, 33(1): 142-149. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0124

[摘要](76) [HTML全文](29) [PDF 1030KB](31)

摘要:
文章探讨了现代战争和海洋安全中对海底掩埋目标进行有效摧毁的技术和方法。由于这些目标隐蔽性强且毁伤难度大, 主要采用动能侵彻体和爆破载荷进行处理。动能侵彻体由于其高效的穿透能力和设计简易性, 更适合处理深埋目标, 并通过二次爆炸增强毁伤效果。文章分析了不同海底介质对侵彻效果的影响, 并通过数值仿真和实验研究优化侵彻体设计。爆破载荷因其广泛的作用范围和高命中率而被广泛应用。文章还讨论了冲击波传播特性、成坑效应、爆腔特征和液化效应对目标毁伤的影响。未来的研究建议包括加强海底介质侵彻和爆炸机理的基础研究, 建立高精度模型, 并开发模拟海底环境的实验平台, 以提升摧毁海底掩埋目标的能力。

局部敷设声学覆盖层的圆柱壳体声目标强度分析

马琪, 倪世丰, 耿浩, 杨海滨

2025, 33(1): 150-155. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0105

[摘要](67) [HTML全文](26) [PDF 1363KB](20)

摘要:
水下装备主要壳体构型为圆柱壳体结构, 为研究局部敷设声学覆盖层的圆柱壳体声目标强度特性, 以内嵌横向柱形空腔结构的声学覆盖层为分析对象, 基于Kirchhoff-Helmholtz散射积分公式, 通过柱面微元的二维近似及轴向积分, 建立了局部敷设声学覆盖层有限圆柱壳体声目标强度的降维分析方法, 大幅降低计算复杂度。利用该方法, 进一步分析了声学覆盖层对圆柱壳体声目标强度的控制规律。结果表明, 在局部敷设情况下, 覆盖层的本体吸声, 覆盖层与壳体的耦合共振, 以及不同区域之间的散射波相消干涉等效应均可显著降低壳体声目标强度。通过敷设区域的调控, 可获得吸声效应以外的声目标强度控制效果, 为覆盖层工程应用设计提供有益参考。

无人水下航行器反潜作战模型仿真

曹迟, 史文涛, 王百合, 张群飞

2025, 33(1): 156-163. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0116

[摘要](88) [HTML全文](30) [PDF 1034KB](37)

摘要:
针对反潜作战场景下建立水下武器仿真系统的需求, 文中通过分析无人水下航行器(UUV)战术特性, 依据UUV反潜战作战规则及打击任务, 依次给出了UUV发射控制、线导导引、目标探测、目标搜索跟踪和水下目标攻击等各功能子模块作战全流程, 通过各功能子模块的建模构成完整的UUV反潜作战仿真模型, 为水下对抗仿真任务提供了相应的动态链接库以便调用。经仿真验证, 构建的UUV仿真模型能够根据使用者提供的敌我位置及声学参数等战场环境信息完成水下反潜打击作战任务, 为水下武器对抗仿真系统的建立提供技术支撑。

基于EBM的UUV对目标威胁评估方法

刘书伟, 程健庆, 刘凯

2025, 33(1): 164-172. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0121

[摘要](87) [HTML全文](89) [PDF 2732KB](14)

摘要:
针对传统的目标威胁评估方法处理复杂战场态势数据时, 缺乏数据挖掘能力和神经网络算法解释性不足等问题, 提出基于可解释增强机(EBM)的无人水下航行器(UUV)对目标威胁评估模型。EBM作为一种先进的机器学习技术, 巧妙融合了梯度提升与广义加性模型, 实现了线性模型的高可解释性与梯度提升算法准确性的完美结合。文中对EBM模型的性能进行了全面评估, 并与分类提升、自适应提升以及深度学习等几种主流机器学习方法进行了比较。通过仿真实验发现, EBM模型在保持高可解释性的同时, 对威胁等级识别的准确度也高达98.10%。这一结果不仅验证了EBM模型在复杂战场态势分析中的有效性, 也为UUV的自主决策提供了坚实的理论基础和技术支持。

舰艇复合结构在冲击防护中的研究进展

张涛, 孙庆贞, 张磊, 李香梅

2025, 33(1): 173-182. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0072

[摘要](182) [HTML全文](58) [PDF 1812KB](19)

摘要:
随着现代海战威胁的日益复杂化, 舰艇的结构防护成为提升生存能力和作战效能的关键。文章综述了舰艇冲击防护结构的研究进展, 特别是从传统均质防护结构向多层复合防护结构的演变; 讨论了材料界面结合强度、结构复杂度及制造难度等挑战, 并指出极端冲击条件下层间结合不良可能导致材料层分离或破裂, 削弱防护效能。未来研究应聚焦于纳米材料、高分子材料和智能材料的开发, 以及多功能集成设计的实现, 强化防护结构的隐身、防探测和主动防御功能。同时, 强调仿真技术在设计优化和性能预测中的核心作用, 以及增材制造和激光加工技术在提高生产效率和产品质量中的潜力, 通过技术创新和材料研发有效提升复合防护结构的综合性能, 满足现代军事和民用领域对高性能防护材料的需求。

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