水下無(wú)人系統(tǒng)智能化關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

趙留平，李 環(huán)，王 鵬

（1.海軍裝備部駐武漢地區(qū)第二軍事代表室，武漢430064；2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢430064；3.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，西安710072）

1 引言

水下無(wú)人系統(tǒng)（Unmanned Underwater System，UUS）是各類無(wú)人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）、水下無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)及其所必要的控制設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和人員的總稱。在民用領(lǐng)域，UUS 可進(jìn)行深海數(shù)據(jù)收集、資源勘探、深海救援等；在軍事領(lǐng)域，UUS 也可進(jìn)行情報(bào)收集、水下偵查、作戰(zhàn)打擊和后勤支援等［1］，因此水下無(wú)人系統(tǒng)具有重要研究?jī)r(jià)值。

近年來(lái)，隨著國(guó)家海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施，人們對(duì)海洋資源的開(kāi)發(fā)利用需求不斷加大。UUS 雖然可以代替人執(zhí)行一些“枯燥的、惡劣的和危險(xiǎn)的”水下任務(wù)，但執(zhí)行任務(wù)過(guò)程智能化程度仍處于較低水平。隨著人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，智能化的設(shè)備已經(jīng)逐漸應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域。對(duì)于水下無(wú)人系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，智能化更是未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)。

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，水下無(wú)人系統(tǒng)智能化涉及水下通信、智能集群以及水下智能仿生等關(guān)鍵技術(shù)。

水下通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能化的關(guān)鍵因素之一，水下控制、數(shù)據(jù)通信、圖像傳輸以及協(xié)同作戰(zhàn)的配合都離不開(kāi)水下通信的基礎(chǔ)保障。傳輸速率、傳輸干擾、傳輸距離等因素都為水下通信的核心技術(shù)難點(diǎn)，也是實(shí)現(xiàn)智能化、集群化、協(xié)同化作戰(zhàn)模式的跨越式發(fā)展前提，對(duì)水下無(wú)人智能化領(lǐng)域應(yīng)用的廣度、深度、可靠性與經(jīng)濟(jì)性有著深遠(yuǎn)影響。

單一個(gè)體作業(yè)存在局限性，未來(lái)智能化發(fā)展也必然是集群協(xié)同作戰(zhàn)。集群系統(tǒng)可利用單體自主性實(shí)現(xiàn)集體決策以及群體級(jí)穩(wěn)態(tài)，能夠突破個(gè)體的單一性和局限性完成個(gè)體無(wú)法獨(dú)自完成的任務(wù)；同時(shí)具有高度可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性，所以集群系統(tǒng)有著較強(qiáng)的魯棒性和靈活性，符合未來(lái)發(fā)展的需求。

水生生物經(jīng)過(guò)自然的優(yōu)劣選擇具有極強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性，采用智能驅(qū)動(dòng)材料模仿或借鑒水生生物的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知和自主學(xué)習(xí)、人機(jī)交互、動(dòng)力控制和通訊系統(tǒng)等功能，增加其智能性、機(jī)動(dòng)性、可靠性和安全性等，對(duì)未來(lái)水下智能發(fā)展具有重要意義。

通信是交互的基礎(chǔ)，集群是協(xié)同的關(guān)鍵，仿生是發(fā)展的趨勢(shì)。本文總結(jié)了以上技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并分析了這些技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

2 水下通信技術(shù)

安全可靠的高速數(shù)據(jù)傳輸通信是UUS智能化、集群化、協(xié)同作戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)，是水下控制、數(shù)據(jù)通信和圖像傳輸?shù)闹匾Ｕ?。通過(guò)通信系統(tǒng)將UUS組網(wǎng)，是解決特定問(wèn)題的有效途徑。構(gòu)建多元化通信網(wǎng)絡(luò)體系，發(fā)展傳輸距離遠(yuǎn)、速率大、容量高、可靠性高的傳輸手段，實(shí)現(xiàn)UUS 多平臺(tái)間的數(shù)據(jù)共享，是未來(lái)水下通信技術(shù)的發(fā)展方向。本節(jié)對(duì)當(dāng)前的水下通信方式進(jìn)行介紹，并對(duì)新型跨介質(zhì)通信技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行展望。

2.1 水聲通信技術(shù)

電磁波信號(hào)在海水中快速衰減，在水下的傳輸距離非常有限。水聲通信技術(shù)因其通信距離遠(yuǎn)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。世界上第一個(gè)具有實(shí)際應(yīng)用意義的水聲通信系統(tǒng)是美國(guó)海軍水聲實(shí)驗(yàn)室于1945年研制的水下電話，該系統(tǒng)采用單邊帶調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)潛艇之間的通信。水聲通信系統(tǒng)最初采用模擬調(diào)制方式，如伍茲霍爾海洋研究所在20世紀(jì)50年代末研制的調(diào)頻水聲通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水底到水面船只的通信。我國(guó)的660 型通信聲納采用單邊帶調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音通信。

20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著信號(hào)處理技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字調(diào)制技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用到水聲通信系統(tǒng)中。與模擬通信相比，數(shù)字通信可以利用糾錯(cuò)編碼技術(shù)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，?duì)時(shí)域和頻域上的信道畸變進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，且抗干擾性強(qiáng)。早期的數(shù)字水聲與通信系統(tǒng)大多采用非相干調(diào)制方式，其中頻移鍵控（Frequency-Shift Keying，F(xiàn)SK）調(diào)制方式最為常用。1981年，美國(guó)麻省理工學(xué)院和伍茲霍爾海洋研究所聯(lián)合開(kāi)發(fā)了數(shù)字聲遙測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用多進(jìn)制頻移鍵控技術(shù)實(shí)現(xiàn)在200 m左右距離上進(jìn)行數(shù)據(jù)率為1.2 kbps的水聲通信［2］。

20世紀(jì)80年代，相干調(diào)制技術(shù)被引入水聲通信中。與非相干技術(shù)相比，其帶寬利用率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。研究人員開(kāi)展了相移鍵控（Phase-Shift Keying，PSK）和正交振幅調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）的相關(guān)研究。首先是在深海垂直信道、近距離水平信道等相位比較穩(wěn)定的水聲信道上進(jìn)行；直到20世紀(jì)90年代，相干調(diào)制技術(shù)在中遠(yuǎn)程淺海水平信道中的應(yīng)用才得到較快發(fā)展。具有里程碑意義的是在相干接收機(jī)中使用了決策反饋均衡器和二階鎖相環(huán)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)率為1 kpbs、通信距離90 km的相干PSK通信。20世紀(jì)90年代，美國(guó)Scripps 海洋研究所提出了單載波相干通信技術(shù)［3］。

20世紀(jì)90年代至今，學(xué)者們?cè)谔岣咄ㄐ潘俾屎蛯?duì)抗信道衰落與起伏方面進(jìn)行了大量的研究。90年代中后期，正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術(shù)被應(yīng)用于水聲通信，OFDM 技術(shù)能夠有效對(duì)抗由信道多徑時(shí)延引起的時(shí)間彌散，并且各個(gè)子信道在頻域上相互重疊，大大地提高了頻譜利用率。美國(guó)麻省理工學(xué)院等單位開(kāi)展了多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術(shù)的研究［4］，MIMO 技術(shù)采用多發(fā)多收結(jié)構(gòu)，不僅能夠滿足多用戶同時(shí)通信，還可以擴(kuò)充信道容量，顯著提高了通信速率和系統(tǒng)可靠性。

近幾十年來(lái)，隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展以及在海洋開(kāi)發(fā)利用的迫切需求下，水聲通信技術(shù)水平取得長(zhǎng)足進(jìn)步。水聲通信技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是提高通信速率、通信距離和信道利用率，為高速率水下通信應(yīng)用提供技術(shù)支撐；進(jìn)一步提高通信可靠性，歸納信道多途結(jié)構(gòu)特性與時(shí)空變規(guī)律；進(jìn)一步提高通信系統(tǒng)魯棒性并降低誤碼率。

2.2 水下激光通信技術(shù)

1963年，Sullivan 和Duntley 等研究發(fā)現(xiàn)海水中存在一個(gè)藍(lán)綠光的透光窗口［5］，為水下激光通信的研究指明了發(fā)展方向。20世紀(jì)70年代至80年代中期，美國(guó)完成了水下激光通信技術(shù)方案的設(shè)計(jì)，并完成了原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，證實(shí)藍(lán)綠激光在渾濁海水中能夠進(jìn)行通信。80年代中期至90年代，美國(guó)研究重點(diǎn)集中在信號(hào)的調(diào)制/解調(diào)、“海水信道”的物理模型和編/解碼技術(shù)等方面，期間完成了空-地、星-地以及極地長(zhǎng)距離通信鏈路的試驗(yàn)驗(yàn)證［5-7］。2008年，美國(guó)Hanson 等首次在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了傳輸速率高達(dá)1 Gb/s 的水下光通信［8］。2010年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的Heather 開(kāi)發(fā)了基于超亮藍(lán)色LED 的發(fā)射器系統(tǒng)和基于藍(lán)色增強(qiáng)廣電二極管的接收器系統(tǒng)，該系統(tǒng)在13 m 的傳輸距離上傳輸速率可達(dá)3 Mbps［9］。2018年，俄羅斯Kirillov 等設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)水下光通信系統(tǒng)傳輸速率達(dá)到100 Mbps，誤碼率不超過(guò)10-7，傳輸距離可達(dá)數(shù)10 m［10］。2014年，姚燦設(shè)計(jì)了基于開(kāi)關(guān)鍵控（ON-OFF Keying，OOK）調(diào)制的水下實(shí)時(shí)光通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)在串口速率為9600 bps 時(shí)，傳輸距離可達(dá)27 m［11］。2018年王培林等采用448 nm 藍(lán)光作為光源，實(shí)現(xiàn)了25 Mbps 傳輸速率，10 m 傳輸距離的低成本OOK 水下光通信系統(tǒng)［12］。

水下激光通信具有傳輸碼率高、安全性高、抗干擾性強(qiáng)、傳輸延遲短等優(yōu)點(diǎn)，但距離實(shí)用化還有一定距離。激光與海水中物質(zhì)間相互作用會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜效應(yīng)。海水中的水分子、浮游植物和巖屑會(huì)不同程度地對(duì)激光產(chǎn)生吸收效應(yīng)和散射效應(yīng)，限制信號(hào)的傳輸距離及性能；海水介質(zhì)折射率的變化，會(huì)使水下激光通信信道表現(xiàn)出湍流效應(yīng)［13］，強(qiáng)湍流效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致通信系統(tǒng)能力惡化。水下激光通信傳輸需要直線對(duì)準(zhǔn)，具有極強(qiáng)的方向性，通信時(shí)必須知道目標(biāo)的大致位置，通信距離較短。

未來(lái)對(duì)水下激光通信的需求應(yīng)當(dāng)是高保密、高速率、低時(shí)延、大容量的。水下激光通信的發(fā)展趨勢(shì)包括：在保證傳輸性能的基礎(chǔ)上添加有效的加密算法，發(fā)展安全性更高的水下激光通信系統(tǒng)；結(jié)合水聲通信與激光通信的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展混合聲光通信系統(tǒng)；提高通信容量和速率，發(fā)展實(shí)時(shí)水下激光通信系統(tǒng)。

2.3 水下-空中跨介質(zhì)通信技術(shù)

借助水下無(wú)人平臺(tái)、水面浮標(biāo)、岸基等通信資源，通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的相互通信，構(gòu)建多平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)化的通信系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)UUS ?？仗烊灰惑w協(xié)同工作。其中，水聲組網(wǎng)通信技術(shù)、水下中繼水聲通信技術(shù)和水下-水面-空中一體化中繼通信技術(shù)亟待突破。由于通信節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍是有限的，限制了通信距離和靈活性，促使新型跨介質(zhì)通信技術(shù)的發(fā)展，如水下中微子通信［14］、引力波通信［15］和水下量子通信［16］等技術(shù)等。

中微子具有極強(qiáng)的穿透能力，高能中微子束穿過(guò)地球后，其衰減不足千分之一，滿足深海任意深度的通信需求。中微子通信是利用中微子粒子作為載體的通信技術(shù)［17］，具有通信容量大、抗干擾能力強(qiáng)、保密性好等優(yōu)點(diǎn)。1984年美國(guó)一艘核潛艇做環(huán)球潛行時(shí)，采用了中微子通信技術(shù)。1998年6月，日本科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩的確切證據(jù)。隨后，研究人員對(duì)中微子振蕩以及探測(cè)器進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，為水下中微子通信提供了理論依據(jù)。近幾年，美國(guó)開(kāi)展了中微子相關(guān)的通信試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)行中微子通信須借助類似粒子加速器的大型設(shè)備，技術(shù)要求復(fù)雜。

引力波是一種以光速傳播的橫波，具有很強(qiáng)的穿透力，沒(méi)有任何物質(zhì)能夠阻擋引力波的傳播。引力波在水中傳播時(shí)，能量被損耗一半時(shí)的傳輸距離為1029 km，引力波的能量與其振動(dòng)頻率的6 次方成正比，通過(guò)加快物質(zhì)的振動(dòng)頻率可提高發(fā)射能量，進(jìn)一步擴(kuò)大引力波的通信距離。由于引力波較為微弱，對(duì)其探測(cè)存在困難。目前引力波探測(cè)主要基于邁克爾遜激光干涉儀，研究人員已開(kāi)展相關(guān)探測(cè)實(shí)驗(yàn)［18-20］。理論上可以采用任何頻率的引力波進(jìn)行通信，但對(duì)于極低頻率幾乎無(wú)法探測(cè)。研究人員在極低頻和高頻引力波探測(cè)技術(shù)上開(kāi)展了大量的研究，隨著探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，水下引力波通信將是水下通信的最好選擇之一。

量子通信利用量子相干疊加、糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞，具有抗干擾性強(qiáng)、保密性強(qiáng)和隱蔽性好等優(yōu)點(diǎn)［21］。量子不確定原理和未知量子的不可克隆定理，這兩個(gè)性質(zhì)使得量子通信具有天然安全性，滿足軍事通信的基本要求。陸地上量子通信已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了144 km 的信息傳輸。2014年4月，Shi 等發(fā)表研究報(bào)告，認(rèn)為短距離的水下量子通信是可能的，并計(jì)算得出水下量子通信系統(tǒng)在清澈海水中最遠(yuǎn)傳輸距離為125 m［22］。嵇玲開(kāi)展了單光子極化量子態(tài)和糾纏光子在海水中的傳輸和保持特性相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究［23］。2017年8月，上海交通大學(xué)金賢敏團(tuán)隊(duì)成功進(jìn)行了首個(gè)海水量子通信實(shí)驗(yàn)，首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了量子通信在水下應(yīng)用的可行性。水下量子通信對(duì)于保證信息安全，提高信息傳輸準(zhǔn)確性具有很高的價(jià)值，但目前水下量子通信距離較短，無(wú)法實(shí)現(xiàn)水下遠(yuǎn)距離通信，且量子制備及測(cè)量技術(shù)還不成熟。

水下-空中跨介質(zhì)通信技術(shù)的關(guān)鍵是研究空中和水下一體化通信方式和能力。目前，中微子通信、引力波通信和量子通信等新興通信技術(shù)性能優(yōu)異，發(fā)展前景廣闊。但對(duì)于這些技術(shù)的研究與探索尚處于初期階段，進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用仍有很長(zhǎng)的路要走。當(dāng)前，水下無(wú)線通信還面臨著水中通信距離短、容量小，傳輸速度低，無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信等問(wèn)題。將通信技術(shù)組合化，如結(jié)合水聲通信的長(zhǎng)傳輸距離優(yōu)勢(shì)和水下激光通信的高傳輸速率的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)通信性能的倍增；將通信方式網(wǎng)絡(luò)化，能夠在局部位置快速形成通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的信息交互。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和研究的深入，水下通信技術(shù)將逐步發(fā)展，為水下軍事斗爭(zhēng)和資源開(kāi)發(fā)提供強(qiáng)有力的通信保障。

3 水下集群技術(shù)

隨著UUV技術(shù)日漸成熟，其所面臨的任務(wù)難度和復(fù)雜度也有很大提升，單一UUV 在大范圍內(nèi)作業(yè)的時(shí)效性、魯棒性和靈活性等方面表現(xiàn)出明顯不足。因此，多UUV 以集群（Swarm）的形式互相協(xié)作執(zhí)行任務(wù)成為了UUV 群體智能化發(fā)展的必然趨勢(shì)。本節(jié)探討影響UUV 集群個(gè)體能力與整體效能的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，為其將來(lái)的發(fā)展提供參考。

3.1 集群優(yōu)化技術(shù)

集群優(yōu)化是集群系統(tǒng)的核心技術(shù)，其通過(guò)合理控制每個(gè)UUV 的活動(dòng)，使UUV 間能夠相互聯(lián)系并合作，使任務(wù)執(zhí)行時(shí)間最少或能耗最小，從而將集群的優(yōu)勢(shì)最大化。該技術(shù)根據(jù)不同任務(wù)的客觀條件提煉出優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，隨后將適合的智能算法引入，并根據(jù)不同的海洋環(huán)境對(duì)算法進(jìn)行一定的改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)集群智能控制?，F(xiàn)階段，在UUV 集群的路徑跟蹤［24-25］、編隊(duì)控制［26］和協(xié)同圍捕［27-28］等問(wèn)題上都有著大量的應(yīng)用。如在協(xié)同搜尋任務(wù)上將問(wèn)題定義為目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)最大概率，并引入海底地形環(huán)境，對(duì)群UUV 運(yùn)動(dòng)加以約束。利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)算法求解，得到如圖1所示的搜尋路徑。類似地，在協(xié)同圍捕的任務(wù)中，定義了以最短狩獵時(shí)間為目標(biāo)的優(yōu)化模型，并將避障機(jī)制引入蟻群算法進(jìn)行求解，圍捕過(guò)程如圖2所示。此外，受自然界群體行為的啟發(fā)，很多智能控制算法被應(yīng)用于UUV 的集群控制，比較常用的算法有：人工勢(shì)場(chǎng)法［29］、蟻群算法［30-31］、粒子群算法［32］和強(qiáng)化學(xué)習(xí)等方法［33-36］。其中，人工勢(shì)場(chǎng)法為經(jīng)典的算法，其將UUV 附近的威脅或障礙視為斥力場(chǎng)，將任務(wù)目標(biāo)作為引力場(chǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)集群的無(wú)避碰控制。該方法求解效率較高，但容易陷入局部最優(yōu)。蟻群和粒子群算法屬于啟發(fā)式方法，即模擬自然界中存在的群體行為，并應(yīng)用至集群的協(xié)同控制。具體地，蟻群算法，是模擬蟻群社會(huì)中螞蟻之間的分工合作機(jī)制，來(lái)有效地解決UUV 協(xié)同多任務(wù)分配問(wèn)題；粒子群算法，是通過(guò)分析鳥(niǎo)類覓食過(guò)程中的鳥(niǎo)群飛行方式，來(lái)解決復(fù)雜環(huán)境下的多無(wú)人機(jī)編隊(duì)重構(gòu)控制問(wèn)題。啟發(fā)式方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，編碼容易，在大多數(shù)情況下能夠找到全局最優(yōu)解，然而這類方法通常需要大量的函數(shù)迭代，優(yōu)化效率較低。強(qiáng)化學(xué)習(xí)法利用大量的先前任務(wù)數(shù)據(jù)建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以便在UUV 集群任務(wù)中預(yù)測(cè)各UUV 的行為并制定合作策略，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的集群決策。該方法可以實(shí)現(xiàn)UUV 間的自主博弈與獨(dú)立決策，具有廣闊的應(yīng)用前景。但這類方法在任務(wù)開(kāi)始前需要大量的真實(shí)數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，導(dǎo)致耗費(fèi)大量的人力物力，并且預(yù)測(cè)行為常常存在誤差和不確定性，影響集群決策。強(qiáng)化學(xué)習(xí)法目前處于起步階段，相信隨著人工智能的發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，所需的先前數(shù)據(jù)會(huì)變少，預(yù)測(cè)行為的精度會(huì)提高，強(qiáng)化學(xué)習(xí)法也將更具競(jìng)爭(zhēng)力。

圖1 UUV集群協(xié)同追蹤路徑Fig.1 Cluster collaborative tracking path of UUV

圖2 UUV集群智能圍捕Fig.2 Cluster intelligence seizing of UUV

然而，由于海底復(fù)雜環(huán)境和惡劣通信條件的限制，很多算法不能直接被移植到UUV 集群應(yīng)用當(dāng)中。因此，現(xiàn)有智能算法在海洋環(huán)境的應(yīng)用以及適用UUV 集群的新智能控制算法的開(kāi)發(fā)仍是未來(lái)UUV集群控制技術(shù)的關(guān)鍵所在。

3.2 集群任務(wù)規(guī)劃

集群任務(wù)規(guī)劃是指根據(jù)所執(zhí)行任務(wù)的具體要求以及可用UUV 類型和數(shù)量、必經(jīng)路徑點(diǎn)等約束條件，利用水下環(huán)境、UUV功能性能、目標(biāo)屬性特點(diǎn)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中各UUV 的工作狀態(tài)和使用方式進(jìn)行規(guī)劃，如規(guī)劃任務(wù)配置、開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間、偵察/發(fā)射角度、參數(shù)設(shè)置等。研究高效率協(xié)同多任務(wù)規(guī)劃方法是提升UUV 集群效能的重要途徑，具有重要的理論和實(shí)際意義。UUV集群任務(wù)規(guī)劃技術(shù)起步相對(duì)較晚且十分復(fù)雜［37-38］，目前的研究主要是改進(jìn)多無(wú)人機(jī)任務(wù)分層規(guī)劃（Hierarchical Planning）的方法［39-45］，即將問(wèn)題分解成決策層（Decision-making Layer）、路徑規(guī)劃層（Path Planning Layer）、控制層（Control Layer）等多個(gè)層次。其中，決策層負(fù)責(zé)集群頂層的任務(wù)決策、沖突消解、任務(wù)重分配和指標(biāo)評(píng)估等；路徑層負(fù)責(zé)任務(wù)執(zhí)行中的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，生成適應(yīng)海洋環(huán)境的安全航線，以引導(dǎo)UUV 規(guī)避威脅、障礙等；控制層則保證UUV準(zhǔn)確的沿著生成的路徑航行，并進(jìn)行一定的冗余管理以降低干擾等因素的影響。如圖3所示，三個(gè)UUV 需要對(duì)一些水下固定探測(cè)點(diǎn)進(jìn)行巡邏維修。指揮中心根據(jù)最初的任務(wù)狀態(tài)對(duì)UUV 進(jìn)行規(guī)劃。每當(dāng)UUV 抵達(dá)探測(cè)點(diǎn)后，其將自身狀態(tài)、海洋環(huán)境等任務(wù)參數(shù)向指揮中心進(jìn)行匯報(bào)。指揮中心得以重新評(píng)估并更新UUV 任務(wù)序列。隨后UUV 根據(jù)更新后的序列調(diào)整自身運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)。通過(guò)這種嵌套式的多層規(guī)劃方式，最終得到多UUV 的協(xié)同巡邏路徑序列。分層規(guī)劃的思路可以很好的梳理和降低多UUV 協(xié)同規(guī)劃的復(fù)雜性，是解決該問(wèn)題的有效手段。有了分層規(guī)劃的思路之后，需要對(duì)多機(jī)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行建模與求解。從運(yùn)籌學(xué)的角度來(lái)看，該問(wèn)題屬于一類復(fù)雜的組合優(yōu)化問(wèn)題。對(duì)該優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行建模與求解的方法有很多種，大致可以分為集中式和分布式兩類［46-49］，兩者各有千秋。集中式的發(fā)展時(shí)間要早于分布式，但由于分布式在動(dòng)態(tài)、不確定的場(chǎng)景下和實(shí)時(shí)性要求等方面的適用性更廣泛，成為現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn)。

綜合異常自動(dòng)圈定利用GeoIPAS軟件內(nèi)專題圖件下單元素異常圖功能實(shí)現(xiàn)，相當(dāng)于把綜合異常指數(shù)(Z)值作為一組單元素測(cè)試值對(duì)待。

此外，集群規(guī)劃技術(shù)涉及的大量難點(diǎn)還需要進(jìn)一步攻關(guān)。包括如何完成大規(guī)模群體多主體、多任務(wù)、多層級(jí)、多分支的非線性任務(wù)規(guī)劃，如何處理大規(guī)模集群中單機(jī)協(xié)同、群間協(xié)同等復(fù)雜協(xié)同關(guān)系，如何能夠?qū)⑷蝿?wù)經(jīng)驗(yàn)以機(jī)器能夠識(shí)別的程序化語(yǔ)言進(jìn)行表達(dá)等。作為未來(lái)智能化水下的重要力量，對(duì)UUV 集群任務(wù)規(guī)劃的研究必須加大力量，持續(xù)深入進(jìn)行。

圖3 UUV集群巡邏任務(wù)的分層規(guī)劃方法Fig.3 Hierarchical planning method for cluster patrol tasks of UUV

3.3 集群編隊(duì)

集群編隊(duì)技術(shù)是智能集群執(zhí)行任務(wù)的安全基礎(chǔ)和最基本形式。編隊(duì)技術(shù)是指智能集群在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中，如何形成并保持一定的幾何構(gòu)型，以適應(yīng)平臺(tái)性能、水下環(huán)境、作業(yè)任務(wù)等要求的技術(shù)，主要解決兩個(gè)問(wèn)題：一是編隊(duì)構(gòu)成與重構(gòu)，包括行動(dòng)前編隊(duì)生成問(wèn)題，遇到障礙時(shí)編隊(duì)的拆分、重建等問(wèn)題，增加或減少UUV 的編隊(duì)重構(gòu)問(wèn)題等；二是編隊(duì)保持，如圖4所示，包括行動(dòng)中編隊(duì)保持問(wèn)題，在不同幾何形態(tài)間的編隊(duì)切換問(wèn)題，保持幾何形態(tài)不變條件下的編隊(duì)收縮、擴(kuò)張、旋轉(zhuǎn)控制問(wèn)題等。目前集群的研究主要針對(duì)少數(shù)UUV 的編隊(duì)，主要的編隊(duì)技術(shù)方法分為虛擬結(jié)構(gòu)方法、領(lǐng)航者-跟隨者方法和人工勢(shì)場(chǎng)法［50-54］。然而這些方法很依賴通信，不能擺脫水下通信受限對(duì)編隊(duì)技術(shù)的影響；而且現(xiàn)階段關(guān)于一致性的研究主要局限于理論分析和仿真，還沒(méi)有具體的應(yīng)用實(shí)例。

因此，新形勢(shì)下對(duì)智能集群提出了的新要求：一方面要加強(qiáng)無(wú)人智能個(gè)體自主性，使其能夠自主處理各種敏感信息，對(duì)當(dāng)前和未來(lái)作業(yè)任務(wù)做出規(guī)劃與預(yù)測(cè)，遵循感知、評(píng)價(jià)、決策這樣的認(rèn)知決策過(guò)程，以減少通訊的要求；另一方面是加強(qiáng)UUV 間的局部通訊能力，通過(guò)與附近平臺(tái)的隨時(shí)信息交互，可以快速達(dá)到局部的編隊(duì)最優(yōu)。

圖4 編隊(duì)隊(duì)形保持技術(shù)Fig.4 The schematic map of formation keeping technology

目前，UUV集群的智能化技術(shù)，在集群優(yōu)化、任務(wù)規(guī)劃與集群編隊(duì)等方面已經(jīng)取得了初步的研究成果。但仍有以下難點(diǎn)：（1）水下惡劣的通訊條件一直是限制UUV 集群發(fā)展的主要難題，因此如何在集群協(xié)作中降低遠(yuǎn)距離通訊次數(shù)，提高通訊效率，是一個(gè)有前景的研究方向。理論上，分布式任務(wù)規(guī)劃可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，但現(xiàn)階段該方法在實(shí)際工程中仍不夠成熟。（2）受限于復(fù)雜的海洋環(huán)境，相關(guān)的導(dǎo)航控制理論與算法不能及時(shí)的得到驗(yàn)證。因此，需大力發(fā)展UUV 集群實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、測(cè)量方式、任務(wù)度量方法等實(shí)驗(yàn)技術(shù)，使相關(guān)理論可以得到有效驗(yàn)證。（3）目前集群的研究主要針對(duì)少數(shù)UUV 的編隊(duì)和協(xié)作控制，這也限制了UUV 集群的發(fā)展?jié)摿?。因此設(shè)計(jì)高效的智能算法，以快速解決大規(guī)模集群中的優(yōu)化問(wèn)題是另一個(gè)重要的研究方向。

4 水下智能仿生技術(shù)

水下仿生機(jī)器人是水下無(wú)人系統(tǒng)智能化的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著人類對(duì)海洋環(huán)境的深入探索，開(kāi)發(fā)能夠適應(yīng)復(fù)雜海域并且具有多種功能的水下機(jī)器人的要求愈加迫切。水生生物在漫長(zhǎng)的自然選擇中具有優(yōu)良的靈活性和強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)性，模仿水生生物的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)方式，結(jié)合智能驅(qū)動(dòng)材料，設(shè)計(jì)功能趨近于水下生物的水下仿生機(jī)器人是近些年的重要研究方向。

設(shè)計(jì)者通過(guò)研究水生生物的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，構(gòu)造水下仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)使其實(shí)現(xiàn)特定的運(yùn)動(dòng)形式。水生生物的運(yùn)動(dòng)方式主要分為3 大類［55-56］：身體和/或尾鰭推進(jìn)（Body and/or Caudal Fin，BCF）、中間鰭和/或?qū)捦七M(jìn)（Median and/or Paired Fin，MDF）、噴射推進(jìn)（JET），水下仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)也基本參考這些典型的運(yùn)動(dòng)方式。傳統(tǒng)水下機(jī)器人的電機(jī)螺旋槳驅(qū)動(dòng)方式很難滿足仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)要求，水生生物通常具有柔軟的外形、復(fù)雜多變的運(yùn)動(dòng)方式，可以實(shí)現(xiàn)“無(wú)機(jī)械關(guān)節(jié)的原位”驅(qū)動(dòng)的智能驅(qū)動(dòng)材料成為仿生機(jī)器人的重要選擇。智能驅(qū)動(dòng)材料主要包括形狀記憶合金/聚合物（Shape Memory Alloy/Polymer，SMA/SMP）、壓電陶瓷、離子聚合物金屬?gòu)?fù)合材料（Ionic Polymer-Metal Composites，IPMC），介電彈性體（Dielectric Elastomer，DE）等。使用這些智能驅(qū)動(dòng)材料可以較好地實(shí)現(xiàn)連續(xù)柔性運(yùn)動(dòng)，有效達(dá)成水下仿生機(jī)器人模擬水生生物運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)。

通過(guò)模仿水生生物的運(yùn)動(dòng)方式，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了各種水下仿生機(jī)器人，下文將對(duì)這些機(jī)器人進(jìn)行具體介紹。

4.1 BCF水下仿生機(jī)器人

波動(dòng)型的BCF 運(yùn)動(dòng)方式常見(jiàn)于帶魚(yú)和鰻魚(yú)，是一種類似蛇形運(yùn)動(dòng)，通過(guò)全身的起伏波動(dòng)來(lái)進(jìn)行推進(jìn)。中國(guó)科技大學(xué)與南陽(yáng)理工大學(xué)共同開(kāi)發(fā)了以SMA 材料驅(qū)動(dòng)的蛇形機(jī)器人［57］，如圖5所示，該機(jī)器人采用聚氨基甲酸酯材料的彈性體連接多個(gè)軀干，彈性體兩側(cè)分別固定一條SMA 作為驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)收縮不同側(cè)的SMA 實(shí)現(xiàn)多段軀干的波動(dòng)運(yùn)動(dòng)。東京工業(yè)大學(xué)也開(kāi)發(fā)了以IPMC材料驅(qū)動(dòng)的蛇形機(jī)器人［58］，如圖6所示，該機(jī)器人取消了軀干之間的彈性體，而是直接以驅(qū)動(dòng)材料IPMC 制成的薄膜連接各個(gè)軀干，并且在每個(gè)軀干底部附著了魚(yú)鰭以提高驅(qū)動(dòng)效率。

圖5 SMA材料驅(qū)動(dòng)波動(dòng)型BCF水下蛇形機(jī)器人[57]Fig.5 SMA driven undulatory BCF underwater snake robot[57]

圖6 IPMC材料驅(qū)動(dòng)波動(dòng)型BCF水下蛇形機(jī)器人[58]Fig.6 IPMC driven undularoty BCF underwater snake robot[58]

擺動(dòng)型的BCF 運(yùn)動(dòng)方式是最常見(jiàn)的魚(yú)類運(yùn)動(dòng)方式，通過(guò)特殊的驅(qū)動(dòng)方式使軀干左右兩側(cè)不對(duì)稱地交替收縮舒張，在前端產(chǎn)生低壓渦推動(dòng)前行。西班牙馬德里理工大學(xué)研究了一種由SMA 材料驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)器魚(yú)［59］，如圖7（a），通過(guò)SMA 驅(qū)動(dòng)鰭實(shí)現(xiàn)柔性魚(yú)骨結(jié)構(gòu)的連續(xù)彎曲從而產(chǎn)生推進(jìn)力。美國(guó)麻省理工學(xué)院設(shè)計(jì)了一種充氣式的仿生機(jī)器魚(yú)［60］，如圖7（b），采用硅膠材料制成軀干，通過(guò)對(duì)軀干左右兩側(cè)對(duì)稱分布的氣室交替充氣使兩側(cè)楊氏模量交替變化實(shí)現(xiàn)彎曲運(yùn)動(dòng)。

圖7 擺動(dòng)型BCF水下仿生機(jī)器人Fig.7 Swinging BCF underwater bionic robot

4.2 MDF水下仿生機(jī)器人

MDF 是通過(guò)胸鰭的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)力的一種方式，常見(jiàn)于蝠鲼和鲀科的魚(yú)類，可以細(xì)分為波動(dòng)型和撲動(dòng)型。

波動(dòng)型的MDF 運(yùn)動(dòng)方式通過(guò)胸鰭的對(duì)稱波動(dòng)實(shí)現(xiàn)前行，通過(guò)調(diào)節(jié)波動(dòng)的頻率、相位以及幅值，實(shí)現(xiàn)水下仿生機(jī)器人的轉(zhuǎn)向操作，穩(wěn)定性較高。美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)仿照蝠鲼胸鰭的波動(dòng)運(yùn)動(dòng)，開(kāi)發(fā)了采用IPMC 材料驅(qū)動(dòng)的仿生蝠鲼機(jī)器人［61］，如圖8（a）所示，機(jī)器人的一對(duì)胸鰭是由4 片長(zhǎng)條狀的IPMC材料與聚二甲硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）材料無(wú)縫黏合得到的膜，每片IPMC 都可以單獨(dú)控制，通過(guò)產(chǎn)生不同幅值和相位波動(dòng)控制機(jī)器人在水下進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)受烏賊的鰭的波動(dòng)運(yùn)動(dòng)啟發(fā)，研究了一種采用SMA驅(qū)動(dòng)材料的水下仿生機(jī)器人［62］，如圖8（b）所示，該機(jī)器人的一對(duì)鰭采用了多片等長(zhǎng)的SMA材料作為驅(qū)動(dòng)器，這些驅(qū)動(dòng)器類似烏賊鰭的橫向肌肉纖維，通過(guò)周期性波動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

圖8 波動(dòng)型MDF水下仿生機(jī)器人Fig.8 Undulatory MDF underwater bionic robot

撲動(dòng)型的MDF 運(yùn)動(dòng)方式通過(guò)胸鰭的拍動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)力，這種運(yùn)動(dòng)方式的對(duì)稱結(jié)構(gòu)機(jī)器人設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，制造方便，游動(dòng)速度較快，是研究的熱門。浙江大學(xué)的李鐵風(fēng)研究組根據(jù)這種運(yùn)動(dòng)方式研制了采用DE材料驅(qū)動(dòng)的水下仿生機(jī)器人［63］，如圖9（a），該機(jī)器人使用硅膠框架作柔性身體，使用硅膠薄膜作魚(yú)鰭，通過(guò)對(duì)中部的DE 驅(qū)動(dòng)材料通電使其收縮舒張帶動(dòng)硅膠框架外變形，從而帶動(dòng)魚(yú)鰭撲動(dòng)前行。北京航空航天大學(xué)開(kāi)發(fā)了以充氣驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)撲翼運(yùn)動(dòng)的水下仿生機(jī)器人［64］，如圖9（b），該機(jī)器人有兩根固定的彈性管，通過(guò)充氣使彈性管在徑向擴(kuò)展、軸向收縮，達(dá)到類似肌肉收縮的效果，實(shí)現(xiàn)魚(yú)鰭的撲動(dòng)。

圖9 撲動(dòng)型MDF水下仿生機(jī)器人Fig.9 Flapping MDF underwater bionic robot

4.3 JET水下仿生機(jī)器人

JET 常見(jiàn)于水母和烏賊，這種運(yùn)動(dòng)方式主要通過(guò)類似水泵的裝置進(jìn)行吸排水，通過(guò)迅速排水產(chǎn)生的反沖力驅(qū)動(dòng)水下機(jī)器人前行，這種運(yùn)動(dòng)方式的水下仿生機(jī)器人定向性好、制作方便、加速度也高。

日本香川大學(xué)研究了使用SMA和IPMC材料共同驅(qū)動(dòng)的仿生水母機(jī)器人［65］，如圖10（a），該機(jī)器人主要由頭部、觸手、中間軸和薄膜組成。觸手一端連接頭部，一端連接IPMC 驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)IPMC 驅(qū)動(dòng)器的彎曲可以控制機(jī)器人的姿態(tài)。中間軸通過(guò)SMA材料的薄膜與觸手相連，SMA驅(qū)動(dòng)器可以控制機(jī)器人傘體內(nèi)部空間的大小，通過(guò)吸排水實(shí)現(xiàn)推進(jìn)運(yùn)動(dòng)。美國(guó)弗吉尼亞理工學(xué)院進(jìn)一步研究了一種SMA材料驅(qū)動(dòng)的仿生水母機(jī)器人［66］，如圖10（b），該機(jī)器人將8 條SMA 和彈簧鋼一起嵌入硅膠中制造水母的傘狀外形，通過(guò)SMA材料的彎曲來(lái)控制內(nèi)腔體積的大小，有效地提高了傳統(tǒng)SMA驅(qū)動(dòng)器形變不足的缺點(diǎn)，提高了驅(qū)動(dòng)效率。

圖10 噴射推進(jìn)仿生水母機(jī)器人Fig.10 Jet-propelled bionic jellyfish robot

哈爾濱工業(yè)大學(xué)參考烏賊的噴射推進(jìn)方式研究了SMA 材料驅(qū)動(dòng)的仿生噴射機(jī)器人［67］，如圖11，該機(jī)器人由仿生外套膜和漏斗組成，仿生外套膜中SMA 絲連接筋條，通過(guò)SMA 絲的變形控制仿生外套膜的收縮和擴(kuò)張，從而實(shí)現(xiàn)噴射運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)前的水下仿生機(jī)器人大多采用SMA、IPMC、DE 等智能驅(qū)動(dòng)材料進(jìn)行仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，能夠較好地模仿水生生物的柔性連續(xù)運(yùn)動(dòng)，并且具有較高的隱蔽性。然而，智能驅(qū)動(dòng)材料本身的特性使得水下仿生機(jī)器人的推進(jìn)力、響應(yīng)速度等性能與傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)水下機(jī)器人仍存在較大的差距，因此對(duì)智能驅(qū)動(dòng)材料進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化以及開(kāi)發(fā)性能更好的智能驅(qū)動(dòng)材料是未來(lái)的一個(gè)主要研究方向。此外，水下仿生機(jī)器人除了驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)采用智能驅(qū)動(dòng)材料外，其余部分大多仍采用剛性結(jié)構(gòu)，因此開(kāi)發(fā)大變形、自由度更高的水下仿生機(jī)器人也是未來(lái)的一個(gè)研究方向。

圖11 SMA驅(qū)動(dòng)的水下仿生噴射機(jī)器人[67]Fig.11 SMA driven underwater bionic jet robot[67]

4.4 水下仿生機(jī)器人智能化關(guān)鍵技術(shù)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)的水下仿生機(jī)器人大多采用SMA、IPMC、DE等智能驅(qū)動(dòng)材料進(jìn)行仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，雖然這些智能驅(qū)動(dòng)材料能夠較好地模仿水生生物的柔性連續(xù)運(yùn)動(dòng)，但是普遍存在一些缺點(diǎn)。SMA驅(qū)動(dòng)頻率低，并且其形狀記憶效應(yīng)與溫度變化相關(guān)，容易受環(huán)境溫度影響；IPMC 的驅(qū)動(dòng)功率小，導(dǎo)致機(jī)器人的游動(dòng)速度和推力相對(duì)較小；DE需要較大的驅(qū)動(dòng)電壓，并且需要預(yù)拉伸來(lái)發(fā)揮驅(qū)動(dòng)作用，限制了其在更大水域范圍的應(yīng)用。因此，智能驅(qū)動(dòng)材料的機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和材料機(jī)理研究是水下仿生機(jī)器人智能化的關(guān)鍵技術(shù)之一。需要針對(duì)智能驅(qū)動(dòng)材料進(jìn)行驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，最大限度地提高推進(jìn)速度和效率，并且進(jìn)行材料本身的機(jī)理研究，開(kāi)發(fā)和應(yīng)用性能更好地智能驅(qū)動(dòng)材料，使水下仿生機(jī)器人的適用性更廣。

智能仿生運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)也是水下仿生機(jī)器人智能化的關(guān)鍵技術(shù)之一。不同于以往采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人，水下仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式多是模擬水生生物的運(yùn)動(dòng)方式，傳統(tǒng)槳舵的運(yùn)動(dòng)控制形式并不適用。針對(duì)BCF、MDF、JET 這三種運(yùn)動(dòng)方式，需要研究更加高效智能的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，使水下仿生機(jī)器人各方面的運(yùn)動(dòng)性能都更加接近真實(shí)的水生生物，以獲得更好的流體動(dòng)力學(xué)效果，提升運(yùn)動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)性能的優(yōu)化。基于中樞模式發(fā)生器（Central Pattern Generator，CPG）的控制方法模仿動(dòng)物節(jié)律運(yùn)動(dòng)的生物學(xué)控制機(jī)理，可以提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性［68］，但目前CPG模型理論基礎(chǔ)仍不完善，并且缺少一個(gè)成熟的針對(duì)指定運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)CPG模型的理論，是智能仿生運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的重要研究方向。

基于機(jī)器學(xué)習(xí)的自主決策技術(shù)是水下仿生機(jī)器人智能化的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。智能驅(qū)動(dòng)材料的機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和材料機(jī)理、智能仿生運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的研究都是針對(duì)水下仿生機(jī)器人接近水生生物智能運(yùn)動(dòng)模式的關(guān)鍵研究，而基于機(jī)器學(xué)習(xí)的自主決策技術(shù)是使單個(gè)水下仿生機(jī)器人具有全面的環(huán)境認(rèn)知能力、自適應(yīng)能力和自主規(guī)劃能力的關(guān)鍵研究。徐亮等［69］使用深度學(xué)習(xí)研發(fā)了更加通用、穩(wěn)定性更好的機(jī)器魚(yú)目標(biāo)識(shí)別算法，避免了環(huán)境光線的不利影響；林龍信等［70］圍繞波動(dòng)鰭的水下仿生機(jī)器人進(jìn)行了增強(qiáng)學(xué)習(xí)控制方法研究，提出了增強(qiáng)學(xué)習(xí)姿態(tài)鎮(zhèn)定方法和增強(qiáng)學(xué)習(xí)軌跡跟蹤方法，并證明了有效性。通過(guò)融合機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，使水下仿生機(jī)器人具有類水生生物的水中定位和環(huán)境感知效果，能夠快速適應(yīng)復(fù)雜多變的海洋環(huán)境；并且可以迅速理解任務(wù)并進(jìn)行合理的任務(wù)分解，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)和復(fù)雜任務(wù)的智能規(guī)劃決策。

5 總結(jié)與展望

水下探索與作業(yè)任務(wù)日趨復(fù)雜，水下對(duì)抗形式在不斷升級(jí)，傳統(tǒng)單一的無(wú)人水下航行器已較難高效完成目標(biāo)任務(wù)。水下仿生機(jī)器人可以模擬水下生物的形態(tài)，通常體積較小，能夠很好地在復(fù)雜水下環(huán)境中隱藏自己，保證存活；同時(shí)，它們使用仿生原理進(jìn)行推進(jìn)，能大大節(jié)省能源。這兩種特點(diǎn)使得水下仿生機(jī)器人能更長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行各種危險(xiǎn)任務(wù)。此外，與傳統(tǒng)無(wú)人水下航行器相比，水下仿生機(jī)器人的制造成本也相對(duì)更低，具有高效的作戰(zhàn)效能。另一方面，水下仿生機(jī)器人通常體積較小，單個(gè)機(jī)器人的有效載荷少，所能執(zhí)行的任務(wù)級(jí)別低。而水下集群技術(shù)的出現(xiàn)，可以有效彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)。通過(guò)將整體任務(wù)進(jìn)行分解，針對(duì)性地配置不同類型的仿生機(jī)器人執(zhí)行不同子任務(wù)，使整個(gè)集群能夠完成各種復(fù)雜且危險(xiǎn)的任務(wù)。而實(shí)現(xiàn)有效集群的關(guān)鍵在于可靠、實(shí)時(shí)的水下通信。如果無(wú)法實(shí)時(shí)有效通信，會(huì)極大影響集群的整體性能，單個(gè)機(jī)器人會(huì)無(wú)法及時(shí)上傳個(gè)體任務(wù)完成情況、確定當(dāng)前集群的任務(wù)總進(jìn)度以及更新任務(wù)目標(biāo)，導(dǎo)致整個(gè)集群的任務(wù)失敗。綜上所述，未來(lái)水下無(wú)人系統(tǒng)智能化的關(guān)鍵將集中在水下通信技術(shù)、水下集群技術(shù)和水下智能仿生技術(shù)。

通過(guò)對(duì)水下無(wú)人系統(tǒng)智能化關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)狀分析，未來(lái)水下無(wú)人系統(tǒng)智能化的研究方向應(yīng)包含以下幾個(gè)方面：（1）提高水下通信的速率和傳輸距離，降低誤碼率，為UUS 智能化提供安全可靠的高速數(shù)據(jù)傳輸通道，同時(shí)研究體積更小、重量更輕、能耗更低、成本更低的通信單元，便于在水下仿生機(jī)器人上的應(yīng)用；（2）引入人工智能技術(shù)，提高水下無(wú)人系統(tǒng)的自主性，加強(qiáng)各水下節(jié)點(diǎn)間的局部通訊能力，實(shí)現(xiàn)快速局部最優(yōu)編組，采用分布式優(yōu)化技術(shù)，降低水下惡劣的通信條件對(duì)集群控制的影響；（3）研究性能更好的智能驅(qū)動(dòng)材料，開(kāi)發(fā)大變形、自由度更高、成本更低的水下仿生機(jī)器人。

6 結(jié)束語(yǔ)

海洋是我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略空間，更是國(guó)家安全的重要屏障。UUS 作為海洋資源探索和海洋防衛(wèi)的重要裝備，是我國(guó)建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的重要組成部分。如今各國(guó)都在大力開(kāi)展UUS 的研制和開(kāi)發(fā)，隨著人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，智能化水下無(wú)人系統(tǒng)是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，也是我國(guó)實(shí)現(xiàn)彎道超車的突破點(diǎn)。