基于無人艇跨域異構(gòu)編隊(duì)協(xié)同導(dǎo)航研究進(jìn)展與未來趨勢

徐博，王朝陽

哈爾濱工程大學(xué) 智能科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

0 引 言

異構(gòu)無人系統(tǒng)相比同構(gòu)無人系統(tǒng)其任務(wù)執(zhí)行力更高效、承擔(dān)的任務(wù)種類更復(fù)雜。例如，異構(gòu)多無人機(jī)（UAV）任務(wù)規(guī)劃經(jīng)過分布式方法的優(yōu)化后，異構(gòu)無人系統(tǒng)編隊(duì)的作業(yè)效率變得更高[1-2]，無人艇（USV）可為小型UAV 提供自主起飛和降落的平臺，并可作為無人系統(tǒng)異構(gòu)編隊(duì)的信息處理中心和通信基站[3]。

2018 年8 月，美國國防部發(fā)布了《無人系統(tǒng)綜合路線圖（2017-2042）》，旨在進(jìn)一步將無人系統(tǒng)整合到作戰(zhàn)體系之中，以及明確相關(guān)的投資領(lǐng)域，確保各軍種的無人系統(tǒng)發(fā)展目標(biāo)及工作與國防部擬定的規(guī)劃保持一致[4]。同年12 月，中國工程院院士、同濟(jì)大學(xué)陳杰教授發(fā)表了《人工智能發(fā)展中的若干科學(xué)問題及顛覆性技術(shù)》報告，針對未來自主智能無人系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃，提出了3 個重點(diǎn)研究方向：自主感知與理解、決策與控制一體化、群知與協(xié)同控制[5]。2021 年3 月，美海軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)聯(lián)合發(fā)布了《美國海軍部無人作戰(zhàn)框架》，旨在對未來作戰(zhàn)中無人系統(tǒng)承擔(dān)的使命任務(wù)和需要的能力予以明確，包括海上及聯(lián)合作戰(zhàn)中有人與無人系統(tǒng)協(xié)同、建立數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施、激發(fā)無人系統(tǒng)增量能力、在跨平臺跨領(lǐng)域擴(kuò)展作戰(zhàn)能力。同時，未來無人系統(tǒng)的使用不僅包括作戰(zhàn)任務(wù)，還包括日常海上對抗任務(wù)，例如偵察、反潛戰(zhàn)（ASW）、水雷對抗（MCM）等。

隨著無人系統(tǒng)在自主能力與智能化方面的水平不斷提高，由這些無人系統(tǒng)組成的無人編隊(duì)在民用和軍用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，例如海洋監(jiān)測、海洋牧場管理、遠(yuǎn)洋勘探（圖1）[6-8]和水面?zhèn)刹臁⒛繕?biāo)打擊（圖2）。在軍用領(lǐng)域，作為未來海上作戰(zhàn)的尖兵武器，隨著USV 裝備技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于USV的異構(gòu)跨域協(xié)同可以彌補(bǔ)同構(gòu)USV編隊(duì)的不足，使之達(dá)到功能最大化、能耗最小化的理想狀態(tài)[9]。

圖1 遠(yuǎn)洋勘探系統(tǒng)概念圖[8]Fig. 1 Conceptual view of ocean exploration system[8]

圖2 跨域異構(gòu)平臺一體化協(xié)同打擊[10]Fig. 2 Cooperative strike of cross-domain heterogeneous platforms[10]

綜上，無人系統(tǒng)的跨域協(xié)同已成為學(xué)界研究的熱點(diǎn)問題之一，得到了許多軍事強(qiáng)國的重視，并已將其列為未來的核心作戰(zhàn)能力。同時，基于USV 的跨域協(xié)同技術(shù)也符合我國海洋強(qiáng)國發(fā)展戰(zhàn)略的需求，對于增強(qiáng)我國國防力量、提高海域管控能力有著重要意義。

為此，本文將針對基于USV 跨域異構(gòu)編隊(duì)關(guān)鍵技術(shù)之一的協(xié)同導(dǎo)航定位，從多個層面闡述國內(nèi)外在該技術(shù)領(lǐng)域取得的最新研究進(jìn)展，分析無人系統(tǒng)編隊(duì)協(xié)同導(dǎo)航方式，討論基于USV 跨域異構(gòu)編隊(duì)協(xié)同研究所面臨的關(guān)鍵問題及挑戰(zhàn)。

1 基于USV 跨域異構(gòu)編隊(duì)協(xié)同的概念

USV 是一種適用于海洋作戰(zhàn)、探測等的多功能無人平臺，其在航行過程中，通過搭載的多種海洋觀測傳感器，以遙控、預(yù)編程、自主活動的工作方式完成相關(guān)海洋觀測任務(wù)，具有靈活性強(qiáng)、風(fēng)險率低等特點(diǎn)。隨著各國更加重視USV 裝備技術(shù)研究，USV 的自主能力得到不斷提高。盡管如此，在人類對海洋探索的需求高漲，而執(zhí)行任務(wù)所在的海洋環(huán)境越來越復(fù)雜的情況下，依賴單個USV 或同構(gòu)USV 編隊(duì)已無法順利完成復(fù)雜的任務(wù)，需要與功能各異的智能無人系統(tǒng)，例如UAV、無人水下航行器（UUV），協(xié)同作業(yè)。為此，跨域異構(gòu)無人系統(tǒng)編隊(duì)的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。所謂跨域異構(gòu)無人系統(tǒng)編隊(duì)是指為提升完成任務(wù)的能力，將USV 與UAV，UUV 整合到編隊(duì)中，實(shí)現(xiàn)跨域多平臺協(xié)同作業(yè)的一種編隊(duì)模式[11]。在此模式下，協(xié)同作業(yè)平臺可以包括目前常用的各類無人系統(tǒng)，在復(fù)雜環(huán)境下協(xié)作執(zhí)行諸如遠(yuǎn)洋通信、海空監(jiān)測等任務(wù)。

在未來海戰(zhàn)中，水面、水下和天空都是主要作戰(zhàn)環(huán)境，而處于天空與水下之間的USV 恰好可作為通信基站的搭載平臺，基于USV 的跨域異構(gòu)編隊(duì)也將成為海戰(zhàn)中執(zhí)行任務(wù)的主要無人系統(tǒng)編隊(duì)。相比于同構(gòu)無人系統(tǒng)編隊(duì)，異構(gòu)跨域無人系統(tǒng)編隊(duì)在功能性方面更有針對性、協(xié)同作戰(zhàn)能力更強(qiáng)[10]。以USV/UAV 跨域異構(gòu)編隊(duì)為例，UAV 的優(yōu)點(diǎn)是視野廣、通信限制小，但存在續(xù)航時間短的缺點(diǎn)，而USV 的優(yōu)勢是續(xù)航時間長，但搜索范圍有限。因此，在執(zhí)行海上救援、巡邏任務(wù)中，二者可以互補(bǔ)，即由USV 運(yùn)送UAV 到指定海域，再由UAV 獲得良好視野，從而可彌補(bǔ)UAV 續(xù)航時間短、USV 視野較差的缺點(diǎn)，提高異構(gòu)編隊(duì)執(zhí)行上述任務(wù)的能力。

2 USV 及異構(gòu)編隊(duì)協(xié)同研究進(jìn)展

鑒于USV 跨域異構(gòu)編隊(duì)所具有的隱蔽性、靈活性等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，無論是在海洋開發(fā)（例如海洋監(jiān)測、海洋勘探）還是在水面作戰(zhàn)（例如水面?zhèn)刹?、目?biāo)打擊）領(lǐng)域都可以起到重要作用，各國也都增加了在USV 裝備和異構(gòu)編隊(duì)技術(shù)研制方面的投入力度。

2.1 USV 研究進(jìn)展

美國是世界上最早開展USV 裝備研究的國家，其海軍2001 年就提出了利用瀕海戰(zhàn)斗艦（LCS)與USV 構(gòu)建異構(gòu)編隊(duì)協(xié)同執(zhí)行任務(wù)的設(shè)想。2007 年，在發(fā)布的《海軍無人水面艇總體規(guī)劃》中提出了USV 發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)：自主控制、載荷與武器耦合、釋放和回收、通用控制，并按照USV 尺寸將USV 分為艦船級、通氣管級、港口級、X 級[12-13]。

2011 年，美海軍研制服役了X-2 新型三體無人快速偵察艇。該艇長約16 m，寬約12 m，配備有雷達(dá)、聲吶、攝像頭、導(dǎo)航系統(tǒng)與防撞系統(tǒng)，還將安裝先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)和情報、監(jiān)視、偵察（ISR）系統(tǒng)，可在8 級海況下以15～30 kn速度自主巡航，定位精度在3 m 以內(nèi)。

2016 年， 美國國防部高級研究計劃局（DARPA）為美海軍設(shè)計的“海上獵手”反潛戰(zhàn)持續(xù)跟蹤無人水面艇 （ACTUV）技術(shù)驗(yàn)證艇下水，以驗(yàn)證USV 用于艦隊(duì)未來執(zhí)行淺水海域反潛或ISR 任務(wù)的性能，2017 年，在“海上獵手”驗(yàn)證艇的基礎(chǔ)上，第2 艘“海鷹”號建成交付海軍使用。

除美國外，以色列2003 年為其海軍研制并于2005 服役了“保護(hù)者”（Protector）USV，該型USV是全球第1 代經(jīng)過實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)的USV。2014 年，以色列航空航天工業(yè)公司（IAI）推出“武士刀”（Katana）USV，配備有自動導(dǎo)航系統(tǒng)和自動防撞系統(tǒng)，可在大范圍區(qū)域執(zhí)行海上邊界巡邏、港口安全等任務(wù)，并可根據(jù)指令對目標(biāo)發(fā)起攻擊。2017 年，以色列海軍研制的“海上騎士”（Sea Knight）USV 順利完成任務(wù)測試，升級后的“海上騎士”USV 繼承了“保護(hù)者”USV 的基本裝備及高速航行的優(yōu)點(diǎn)，最高航速可達(dá)75 km/h，艇長增大至11 m，在大浪中航行更穩(wěn)定，可以航行至離岸500 km 的遠(yuǎn)海，連續(xù)續(xù)航時間提升至12 h，還配備了1 門水炮和多枚“長釘”導(dǎo)彈，成為迄今全球第1 艘可發(fā)射導(dǎo)彈的USV。隨著“海上騎士”的研制成功，該型USV將替代以色列已服役20 年的“保護(hù)者”USV，并用其組建無人系統(tǒng)編隊(duì)，繼續(xù)執(zhí)行相關(guān)作戰(zhàn)任務(wù)。

現(xiàn)階段，我國對USV 裝備技術(shù)的研制主要集中于高校、科研院所主持的基礎(chǔ)型號預(yù)研類項(xiàng)目，適用領(lǐng)域主要偏向于民用。而水面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)仍停留在大型艦艇為主、小型突擊艇為輔的狀態(tài)，在輕型USV 作戰(zhàn)應(yīng)用領(lǐng)域涉及得較少。

2008 年，中國航天科工新光集團(tuán)研發(fā) 了“天象一號”USV，該艇長6.5 m，最長作業(yè)時間20 天左右，并且配備有智能駕控、GPS 定位、航海雷達(dá)等設(shè)備，在青島舉辦的奧運(yùn)會帆船比賽中開展實(shí)時氣象播報，為賽事做出了重大貢獻(xiàn)，這也標(biāo)志著我國在USV 領(lǐng)域邁出了重要一步[14]。2013 年，上海大學(xué)的彭艷教授團(tuán)隊(duì)開始研制“精?！毕盗蠻SV，其中“精海1 號”艇長6.25 m，適用于4 級海況，內(nèi)置有側(cè)掃聲吶（SSS）、聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）、高精度光纖羅經(jīng)等多種高精度測量設(shè)備，同時還配備了激光測距系統(tǒng)、影像監(jiān)管系統(tǒng)、避碰雷達(dá)、高精度GPS 及“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)。該USV 曾隨“雪龍”號破冰船執(zhí)行南極科考任務(wù)，而且還在東海、黃海、南海執(zhí)行過測繪和監(jiān)測等任務(wù)[15]。2017 年，哈爾濱工程大學(xué)研制了 “天行一號” 無人快艇，該艇長12.2 m，排水量7.5 t，最高航速可達(dá)50 kn，可以根據(jù)航行中的狀態(tài)，對周圍可疑目標(biāo)進(jìn)行自動跟蹤。

表1 所示為國內(nèi)開發(fā)的幾型典型USV 及相關(guān)參數(shù)。

表1 國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)設(shè)計的典型USVTable 1 Typical unmanned surface vehicles designed by Chinese research institutions

2.2 異構(gòu)編隊(duì)協(xié)同研究進(jìn)展

常見的協(xié)同導(dǎo)航方式主要分為主從式和并行式，從融合結(jié)構(gòu)的角度可以分成分散式、分層式、集中式。國內(nèi)外專家從不同的角度出發(fā)，針對編隊(duì)協(xié)同導(dǎo)航問題展開了不同方向的研究。對于核心導(dǎo)航算法而言，大致可以分為優(yōu)化理論的導(dǎo)航算法、基于圖論的導(dǎo)航算法和基于貝葉斯估計的導(dǎo)航算法。

以優(yōu)化理論為基礎(chǔ)的編隊(duì)協(xié)同導(dǎo)航算法主要分為：通過對求解導(dǎo)航狀態(tài)進(jìn)行近似、拆分，并分別求解各子問題；利用優(yōu)化技術(shù)對導(dǎo)航問題求解，然后找到等價的優(yōu)化算法。

基于圖論的協(xié)同導(dǎo)航算法是建立協(xié)同導(dǎo)航問題的測量圖模型，將整個平臺所有歷史時刻的導(dǎo)航狀態(tài)與測量圖的節(jié)點(diǎn)集合相對應(yīng)。此算法應(yīng)用在路徑跟蹤控制中可以大量減少通信數(shù)據(jù)量。

基于貝葉斯估計的卡爾曼濾波/粒子濾波/H-SPAWN 多AUV 協(xié)同導(dǎo)航算法存在通信量、計算量過大，以及對平臺間計算同步要求嚴(yán)格、最優(yōu)性估計得不到保證等問題。國內(nèi)外學(xué)者對水聲通信延遲和測距誤差的建模與補(bǔ)償提出了大量研究方法，可實(shí)現(xiàn)在濾波效果不發(fā)生大的偏差的情況下，顯著提高濾波效率。針對洋流的影響與估計，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了較多的相關(guān)研究工作, 取得了一些有意義的成果。

目前，同構(gòu)無人系統(tǒng)協(xié)同研究已經(jīng)獲得了較多研究成果和理論積累。隨著各領(lǐng)域的研究深入，需求趨于多元化，由單一類型無人系統(tǒng)平臺組成的編隊(duì)已無法完成許多環(huán)境復(fù)雜的任務(wù)。因此，近年來多無人平臺跨域異構(gòu)編隊(duì)引起了世界各國的廣泛關(guān)注[16-20]。

在異構(gòu)編隊(duì)技術(shù)研究領(lǐng)域，自2010 年以來，美國已在USV 和AUV 組成的異構(gòu)編隊(duì)領(lǐng)域?qū)χ悄苤笓]與感知控制體系架構(gòu)（control architecture for robotic agent command and sensing, CARACaS）進(jìn)行了長達(dá)10 年的試驗(yàn)[21]。圖3 所示為美國對USV 蜂群協(xié)同進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證。2015 年，日本防衛(wèi)省技術(shù)研究所針對USV 與AUV 協(xié)同搜索的問題（圖4）開展研究，利用基于協(xié)同控制的平行巡航技術(shù)（parallel cruising technology by using cooperative control, PaCTeCC）來實(shí)現(xiàn)USV 將聲吶圖像從AUV傳輸至遠(yuǎn)處支援船的設(shè)想[22]。

圖3 美國USV 蜂群演示驗(yàn)證[21]Fig. 3 Validation of USV swarm operation[21]

圖4 USV 與AUV 之間聲吶圖像傳輸概念圖[22]Fig. 4 Conceptual view of USV-AUV sonar images transmission[22]

2016 年，英國在 “無人戰(zhàn)士”（unmanned warrior）無人系統(tǒng)平臺聯(lián)合作戰(zhàn)演習(xí)中，測試了包括USV，UUV 在內(nèi)的50 艘無人系統(tǒng)平臺協(xié)同執(zhí)行ISR、反潛戰(zhàn)、水雷對抗任務(wù)的能力，并在反潛戰(zhàn)演習(xí)中，首次采用依靠海浪動能和太陽能驅(qū)動、具有長續(xù)航能力和低可探性特點(diǎn)的4 艘“波浪滑翔者”（wave glider） USV 與“傳感器密集型自主遠(yuǎn)程艇”（sensor hosting autonomous remote craft,SHARC）組成的異構(gòu)水面編隊(duì)進(jìn)行探測、跟蹤UUV 的測試。此次聯(lián)合作戰(zhàn)演習(xí)展示了上述無人系統(tǒng)高效執(zhí)行自主反潛任務(wù)和實(shí)時交換數(shù)據(jù)的性能，還演示了微小型UUV 自動降落在小型USV 上的能力[23]。表2 所示為國外跨域異構(gòu)編隊(duì)試驗(yàn)的情況[24-25]。

表2 國外跨域異構(gòu)編隊(duì)試驗(yàn)Table 2 Cross-domain heterogeneous formation tests

海-空、海面-水下跨域異構(gòu)無人系統(tǒng)平臺不僅在軍用領(lǐng)域扮演著重要角色，在民用領(lǐng)域也有著舉足輕重的地位。例如，2014 年美國夏威夷大學(xué)和伍茲霍爾海洋研究所（WHIO）聯(lián)合搭載水聽器和調(diào)制解調(diào)器開展了一系列水下水面聯(lián)合定位、通信試驗(yàn)，2018 年大連理工大學(xué)進(jìn)行了USVUAV 異構(gòu)協(xié)同試驗(yàn)（圖5）。同年，由中國云州、百度等企業(yè)聯(lián)合開發(fā)的海陸空無人系統(tǒng)聯(lián)合展演在港珠澳大橋亮相，展演中不僅展示了各種型號、能適用于不同環(huán)境的UAV 和USV，還通過UAV，USV 與無人車（UGV）跨域異構(gòu)協(xié)同方式執(zhí)行了一些任務(wù)，如圖6 所示。

圖5 USV-UAV 異構(gòu)協(xié)同試驗(yàn)驗(yàn)證Fig. 5 Test validation of USV-UAV heterogeneous collaboration

圖6 國內(nèi)海陸空無人系統(tǒng)異構(gòu)編隊(duì)協(xié)同演示[9]Fig. 6 Demonstration of sea-land-air unmanned system heterogeneous cooperative formation in China[9]

此外，國內(nèi)外許多高校在跨域異構(gòu)編隊(duì)的技術(shù)開發(fā)方面也取得了顯著成果。例如，美國賓夕法尼亞大學(xué)GRASP 實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出了以網(wǎng)絡(luò)為中心的異構(gòu)平臺的關(guān)鍵技術(shù)，在UAV 與UGV 的協(xié)同領(lǐng)域做出了貢獻(xiàn)[26-27]。中南大學(xué)吳國華等[28]提出一種層次化的協(xié)同計劃架構(gòu)，對衛(wèi)星、UAV、飛艇等異構(gòu)地球觀測資源（EOR）進(jìn)行了集成?？肆_地亞薩格勒布大學(xué)學(xué)者提出一種包含USV/UAV/UUV 的異構(gòu)系統(tǒng)，用于實(shí)時檢測意外泄漏問題，并于2014 年進(jìn)行了模擬漏油野外試驗(yàn)，測試了探測、協(xié)同導(dǎo)航和通信可視化技術(shù)[29]。2016 年，美國弗羅里達(dá)大學(xué)學(xué)者在USV 上進(jìn)行了REMUS 100 AUV 投放與回收試驗(yàn)，驗(yàn)證了其聲學(xué)通信、定位等性能[30]。

3 USV 跨域異構(gòu)協(xié)同導(dǎo)航發(fā)展現(xiàn)狀

跨域異構(gòu)編隊(duì)導(dǎo)航定位不僅是編隊(duì)協(xié)同作業(yè)的先決條件，更是其安全返回的技術(shù)保障。針對USV 跨域異構(gòu)協(xié)同導(dǎo)航存在的問題，國內(nèi)外學(xué)者針對同構(gòu)編隊(duì)協(xié)同定位、路徑規(guī)劃等問題展開了大量研究工作，而圍繞異構(gòu)編隊(duì)的研究工作大多處于理論研究狀態(tài)。

3.1 基于USV 跨域異構(gòu)編隊(duì)協(xié)同定位

在USV 與UAV，UUV 跨域異構(gòu)編隊(duì)中，準(zhǔn)確解算每個時刻編隊(duì)內(nèi)各成員的位置信息是所有協(xié)同執(zhí)行任務(wù)的最基本要求。例如，通過USV 投放與回收UUV、UAV 和水下排雷等。因GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)在水下無法使用，且水下聲學(xué)信道條件惡劣，故包含UUV 的跨域異構(gòu)編隊(duì)協(xié)同定位一直是研究的熱點(diǎn)問題之一。

目前，有學(xué)者已經(jīng)將卡爾曼濾波算法、優(yōu)化理論算法應(yīng)用于UUV 編隊(duì)的導(dǎo)航問題[31-36]。針對包含UUV 的跨域異構(gòu)編隊(duì)導(dǎo)航，常用方法是使用高成本的導(dǎo)航傳感器來減緩發(fā)散速度。例如，文獻(xiàn)[37]提出了一種利用USV 的位置限制UUV位置的方法，并比較了粒子濾波、非線性最小二乘優(yōu)化以及擴(kuò)展卡爾曼濾波器（EKF）改善UUV 現(xiàn)有定位的效果。文獻(xiàn)[38]提出一種基于EKF 模塊化量測模型，在使用UUV 的傳感器進(jìn)行量測的基礎(chǔ)上，根據(jù)USV 和聲吶圖像估計UUV 的位置，從而提高了定位精度。

此外，水下通信也是跨域異構(gòu)編隊(duì)協(xié)同導(dǎo)航的挑戰(zhàn)之一。針對USV 通信提供的帶寬有限且在水面上易受影響的問題，文獻(xiàn)[39]利用聲波通信和定位系統(tǒng)建立了USV 與AUV 間的通信網(wǎng)絡(luò)，利用USV 定位結(jié)果標(biāo)定誤差及限制AUV 與USV 間的距離并保持穩(wěn)定，以提高AUV 的精度。文獻(xiàn)[40]提出了一種雙系統(tǒng)串聯(lián)導(dǎo)航策略，采用USV 作為UUV 的“私人”衛(wèi)星，并始終能夠獲得超短基線（USBL）定位信息，在避免昂貴成本的條件下確保了水面、水下有良好的定位精度。文獻(xiàn)[41]提出了如圖7 所示的HOTL（human-onthe-loop）系統(tǒng)。該系統(tǒng)引入了另一種水面運(yùn)載器作為水面、水下的通信樞紐，以實(shí)現(xiàn)USV 保持向控制中心傳輸定位和通信數(shù)據(jù)，并矯正UUV 的航位推算誤差。文獻(xiàn)[42]基于上述系統(tǒng)中心樞紐的概念和作用，通過WiFi 和GSM/LTE 鏈路，建立水下物聯(lián)網(wǎng)改善水下定位和通信，以提高導(dǎo)航精度。2016 年，美國的WHIO、麻省理工大學(xué)（MIT）、東北大學(xué)學(xué)者針對多海洋機(jī)器人編隊(duì)水聲通信開展研究，驗(yàn)證了不同通信配置下多智能體編隊(duì)的跟蹤性能[43]，試驗(yàn)的現(xiàn)場如圖8 所示。

圖7 HOTL 系統(tǒng)示意圖[41]Fig. 7 Schematics of HOTL system[41]

圖8 異構(gòu)編隊(duì)協(xié)同搜索試驗(yàn)[43]Fig. 8 Test of heterogeneous formation cooperative search[43]

3.2 基于USV 跨域異構(gòu)編隊(duì)視覺導(dǎo)航

在?？湛缬虍悩?gòu)編隊(duì)中，精準(zhǔn)導(dǎo)航技術(shù)是USV 投放與回收UAV 的基礎(chǔ)，而常規(guī)GPS 和慣性導(dǎo)航在導(dǎo)航精度上都有難以忽視的缺點(diǎn)[44]，因此，基于視覺的高精度導(dǎo)航成為了目前USV 與UAV 研究領(lǐng)域的前沿問題。與靜止于路面的UGV 四自由度運(yùn)動模型不同[45]，USV 是一個六自由度運(yùn)動模型，無法精確控制運(yùn)動軌跡，即使忽略UAV 運(yùn)動對USV 帶來的影響，USV 依然存在姿態(tài)穩(wěn)定性差等問題，導(dǎo)致UAV 降落安全隱患較大。文獻(xiàn)[46]通過干涉排除、橢圓擬合、特定特征匹配對姿態(tài)進(jìn)行不確定標(biāo)記估計，并在不同階段分別采取GPS 系統(tǒng)和視覺導(dǎo)航方法，提出了完整的視覺導(dǎo)航、制導(dǎo)策略。文獻(xiàn)[47]提出了一套完整的USV 甲板模擬方案，并通過UAV 向下的攝像頭結(jié)合卡爾曼濾波改善UAV 和USV 估計的魯棒性。文獻(xiàn)[48]通過在USV 甲板上安裝一系列傳感器，同時引入多超聲聯(lián)合動態(tài)定位算法解決了耦合系統(tǒng)中USV 可調(diào)浮標(biāo)動態(tài)定位問題，獲得了高精度三維定位數(shù)據(jù)（圖5）。除了USV的姿態(tài)導(dǎo)致導(dǎo)航誤差較大以外，水面的反射也是影響UAV/USV 跨域異構(gòu)編隊(duì)視覺導(dǎo)航的重要因素之一，因此文獻(xiàn)[49]設(shè)計了一種三階視覺檢測器，得到了USV 與UAV 之間的三維相對位置。文獻(xiàn)[50]使用高分辨視覺傳感器并結(jié)合部署USV聲吶測出的水深數(shù)據(jù)，來改善UAV 與USV 之間的通信。

此外，協(xié)同導(dǎo)航精度也是USV/UAV 跨域異構(gòu)編隊(duì)執(zhí)行海上救援、目標(biāo)搜索任務(wù)的重中之重。針對USV 在海上視野有限導(dǎo)致的定位誤差大的問題，文獻(xiàn)[51]提出了顏色閾值與輪廓檢測相結(jié)合的定位方法和Camshift（continuously adaptive mean-SHIFT）算法，能夠得到USV/UAV 與救援目標(biāo)的相對位置，以提高協(xié)同導(dǎo)航精度。隨著計算機(jī)視覺和機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展，基于深度學(xué)習(xí)（DL）的視覺導(dǎo)航逐漸應(yīng)用于USV/UAV 跨域協(xié)同導(dǎo)航，但深度學(xué)習(xí)過程中需要大量的迭代循環(huán)，難以實(shí)時得到數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[52]提出了UAV/USV 協(xié)作平臺“水母”配送管理系統(tǒng)，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）算法識別USV 和“水母”并計算其分布位置，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出一種高速深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，縮短了目標(biāo)識別定位時間。

綜上，USV/UAV 跨域異構(gòu)編隊(duì)通過UAV 的通信距離、視野優(yōu)勢可彌補(bǔ)USV 視野狹窄等缺點(diǎn)，USV 的超遠(yuǎn)續(xù)航能力為UAV 提供了中轉(zhuǎn)平臺，因此基于USV/UAV 的跨域異構(gòu)編隊(duì)視覺導(dǎo)航是未來搜救、?？找惑w化等復(fù)雜任務(wù)所需的關(guān)鍵技術(shù)。

3.3 路徑規(guī)劃與目標(biāo)跟蹤

相比于同構(gòu)編隊(duì)，跨域異構(gòu)編隊(duì)執(zhí)行任務(wù)所處的環(huán)境更復(fù)雜、難度更大、危險性更高，因此要求由USV，UAV 和UUV 所組成的跨域異構(gòu)編隊(duì)系統(tǒng)應(yīng)具有強(qiáng)魯棒、低風(fēng)險等特點(diǎn)。目前，國內(nèi)外學(xué)者在同構(gòu)UAV 路徑規(guī)劃研究方面已取得顯著成果[53-58]，但在跨域異構(gòu)編隊(duì)路徑規(guī)劃方面的研究較少。我國學(xué)者研發(fā)了四旋翼飛行平臺，并于2019 年進(jìn)行了UAV 在移動的HUSTER-68 全自主USV 上的降落（圖9）演示，拓展了USV 在水陸空跨域信息感知、目標(biāo)探測任務(wù)范圍，大幅度提高了異構(gòu)跨域無人編隊(duì)的機(jī)動能力與控制性能。

圖9 UAV 自主降落演示[5]Fig. 9 Test of autonomous landing of UAV on a moving platform[5]

在USV/UAV/UUV 跨域異構(gòu)編隊(duì)執(zhí)行搜索目標(biāo)、自主降落等任務(wù)時，需要在任務(wù)開始時通過異構(gòu)編隊(duì)內(nèi)各成員信息的交互，使系統(tǒng)對全局環(huán)境有一定的掌握，從而達(dá)到最優(yōu)路徑規(guī)劃的目的。文獻(xiàn)[59] 設(shè)計了一個基于UUV/USV 協(xié)同采樣的自主框架，開發(fā)了自主程序預(yù)測UUV 的位置并規(guī)劃出一條USV 路徑，在執(zhí)行任務(wù)過程中保證了UUV 和USV 協(xié)同控制性能。在環(huán)境適應(yīng)方面，文獻(xiàn)[60-61]針對跨域異構(gòu)編隊(duì)設(shè)計了多層控制系統(tǒng)架構(gòu)，在控制系統(tǒng)架構(gòu)的最上層，則根據(jù)全局環(huán)境條件選擇合適的路徑規(guī)劃，分別在USV 與UGV 上進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)。針對路徑規(guī)劃過程中所要面對的問題，文獻(xiàn)[62]提出了一種受約束的Fiduccia-Mattheyses（FM）算法來構(gòu)造USV 領(lǐng)域區(qū)（ship domain area）和避碰區(qū)（ collision avoidance area），以確保規(guī)劃路徑與碰撞區(qū)域發(fā)生沖突。文獻(xiàn)[63]分別利用USV 前置聲吶和在線源航拍圖像通過訓(xùn)練分類器生成特征，再對輸出進(jìn)行融合，達(dá)到分類學(xué)習(xí)障礙物的效果。文獻(xiàn)[64]通過自適應(yīng)閾值和斑點(diǎn)檢測算法判斷UAV 是否尋找到目標(biāo), 在降落前確定方位并給出優(yōu)化路徑。

此外，針對跨域異構(gòu)編隊(duì)在航行中面臨通信頻率的問題，WHIO 學(xué)者根據(jù)異構(gòu)航行器所需導(dǎo)航精度、能量消耗、通信性能以及觀察目標(biāo)，推導(dǎo)出一組異構(gòu)航行器的軌跡、通信速率和采樣速率，并通過外場試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證[65]。

通信范圍也是水面與水下通信的局限之一。文獻(xiàn)[66]通過構(gòu)建分布式動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑢?shí)現(xiàn)了自組織網(wǎng)絡(luò)UAV 與USV 有效通信，提高了通信單元的魯棒性和通信效率。針對編隊(duì)能量消耗和通信范圍這兩個關(guān)鍵問題，文獻(xiàn)[67]提出了一種基于自組織映射（SOM）和快速行進(jìn)法（FMM）算法的智能多任務(wù)分配和路徑規(guī)劃方法，通過任務(wù)優(yōu)先級算法和能量協(xié)調(diào)方案保證了編隊(duì)成員與對應(yīng)基站的通信質(zhì)量和能源儲備。

針對跨域異構(gòu)編隊(duì)系統(tǒng)容錯問題，文獻(xiàn)[68]基于隨機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)和異步規(guī)劃策略設(shè)計了兩個階段的協(xié)同路徑規(guī)劃算法，路徑由改進(jìn)的粒子群優(yōu)化（IPSO）算法以集中式或分布式方式生成，能夠處理UUV/USV 系統(tǒng)中協(xié)同水下目標(biāo)搜索與跟蹤任務(wù)，并可提高跨域異構(gòu)編隊(duì)的自適應(yīng)能力。文獻(xiàn)[69]基于遺傳算法（GA）和蟻群算法（ACO），提出了適用于UAV/USV 跨域異構(gòu)編隊(duì)海上監(jiān)測與清污任務(wù)的路徑規(guī)劃方法，在提高任務(wù)效率的同時還考慮了跨域異構(gòu)編隊(duì)軌跡容錯問題。此外，在路徑規(guī)劃中，耦合系統(tǒng)內(nèi)浮標(biāo)的動態(tài)問題也受到了學(xué)者們的關(guān)注。例如，文獻(xiàn)[48]通過所設(shè)計的分層著陸點(diǎn)來獲得有順序的指導(dǎo)點(diǎn)，為UAV在USV 上降落過程設(shè)計出高質(zhì)量的航路。

若UAV 在USV 上降落過程中遇到視覺環(huán)境受限的情況，則會對全局環(huán)境信息的處理造成很大影響。因此，針對弱視覺環(huán)境條件，文獻(xiàn)[70]使用94 GHz 毫米波雷達(dá)、GPS、慣性傳感器，產(chǎn)生地形障礙物圖像，進(jìn)一步優(yōu)化路徑規(guī)劃的效果。文獻(xiàn)[71]則使用一個標(biāo)準(zhǔn)的EKF 來傳輸狀態(tài)和融合傳感器數(shù)據(jù)，再構(gòu)建貝塞爾曲線連接UAV 和USV 的航向，并通過迭代使它們在約束條件下完成路徑規(guī)劃。

4 基于USV 的跨域異構(gòu)編隊(duì)關(guān)鍵問題及未來發(fā)展趨勢

4.1 跨域異構(gòu)編隊(duì)的關(guān)鍵問題

1） 跨域異構(gòu)編隊(duì)導(dǎo)航精度。

同構(gòu)USV 編隊(duì)協(xié)同導(dǎo)航研究已經(jīng)較成熟，且提出了很多解決方法（例如卡爾曼濾波、優(yōu)化理論算法等[31-36]）來提高所建的導(dǎo)航框架模型、誤差特性分析、誤差補(bǔ)償?shù)鹊木取５?，在對跨域異?gòu)編隊(duì)進(jìn)行誤差特性分析與補(bǔ)償?shù)倪^程中，需考慮很多問題，例如不同無人系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)模型。迄今，學(xué)界大部分研究工作還處于跨域異構(gòu)導(dǎo)航建模的階段，而從理論上分析異構(gòu)編隊(duì)對協(xié)同網(wǎng)絡(luò)帶來的誤差并不多見，因此研究跨域異構(gòu)編隊(duì)的協(xié)同導(dǎo)航精度問題是目前的關(guān)鍵問題之一。

2） 通信延時條件下導(dǎo)航性能。

鑒于惡劣的水面環(huán)境以及GPS 不適用于水下環(huán)境，跨域異構(gòu)編隊(duì)導(dǎo)航定位成為了跨域異構(gòu)編隊(duì)作業(yè)中所要面對的關(guān)鍵問題之一。此外，跨域異構(gòu)編隊(duì)導(dǎo)航需要面對的另一個關(guān)鍵問題是缺乏高效的跨域通信鏈路。相比于UUV，USV 具有良好的導(dǎo)航能力，可以與水面、水下、天空中的智能平臺通信，通過分布式優(yōu)化算法可以在一定程度上降低通信對跨域異構(gòu)編隊(duì)的影響。但是，目前在此方面的研究成果多局限于理論分析和仿真驗(yàn)證。未來分布式優(yōu)化算法可能會成為跨域異構(gòu)編隊(duì)發(fā)展的突破口。而且，提高通信延時條件下的導(dǎo)航性能是目前跨域異構(gòu)編隊(duì)需要解決的關(guān)鍵問題。

3） 特殊工況下協(xié)同導(dǎo)航技術(shù)。

基于USV 的跨域異構(gòu)編隊(duì)在執(zhí)行任務(wù)過程中會經(jīng)常遇到惡劣的水面環(huán)境（例如復(fù)雜多變的海浪、傳感器量測異常、USV 與UAV 間歇性失聯(lián)等），且使用傳統(tǒng)的濾波算法或優(yōu)化算法對于異常值的處理會導(dǎo)致誤差隨時間的增加而增大。目前，國內(nèi)外學(xué)者在特殊工況下對同構(gòu)無人編隊(duì)協(xié)同導(dǎo)航的研究取得了不錯的進(jìn)展，但是因跨域異構(gòu)編隊(duì)需要面對更多種類的特殊工況[72-75]，因而，特殊工況下的協(xié)同導(dǎo)航技術(shù)是當(dāng)前導(dǎo)航領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。

4.2 跨域異構(gòu)編隊(duì)未來發(fā)展方向

1） 多源傳感器信息融合。

面對越來越復(fù)雜的跨域任務(wù)，跨域異構(gòu)編隊(duì)中的無人系統(tǒng)平臺需要攜帶不同的裝備及傳感器設(shè)備。例如USV 可攜帶航海雷達(dá)、激光雷達(dá)、主動聲吶和被動聲吶來增強(qiáng)避障檢測能力，UAV 可攜帶視覺傳感器、超頻無線電來提高導(dǎo)航能力。通過多源傳感器融合技術(shù)，可以提高跨域異構(gòu)編隊(duì)的有效負(fù)載，并可利用不同編隊(duì)成員的傳感器數(shù)據(jù)相互校正、補(bǔ)償。因此，多元傳感器信息融合技術(shù)將成為未來跨域異構(gòu)編隊(duì)研究的熱點(diǎn)問題之一。

2） 仿生視覺導(dǎo)航。

跨域異構(gòu)編隊(duì)需要面臨水面、水下、天空這些不同的環(huán)境，因此對環(huán)境的適應(yīng)能力是跨域異構(gòu)編隊(duì)需面對的關(guān)鍵性問題之一。隨著計算機(jī)視覺的深入發(fā)展，基于USV 的跨域異構(gòu)編隊(duì)具備了一定程度的環(huán)境自適應(yīng)以及戰(zhàn)場環(huán)境學(xué)習(xí)能力，但因環(huán)境的復(fù)雜性和不確定性，基于視覺的協(xié)同導(dǎo)航技術(shù)還需進(jìn)一步提高。以鷹為代表的猛禽可以在高空鎖定并迅速跟蹤水下的魚，仿生視覺技術(shù)為基于視覺的信息處理提供了新思路。北京航空航天大學(xué)段濱海團(tuán)隊(duì)在特征點(diǎn)匹配、分層時間視覺、視覺導(dǎo)航機(jī)制方面開展了一系列研究[76-79]?；诜律曈X的導(dǎo)航技術(shù)在視覺范圍、分辨率方面有很大的優(yōu)勢。可以預(yù)見，基于仿生視覺的導(dǎo)航技術(shù)將會成為未來跨域異構(gòu)編隊(duì)執(zhí)行任務(wù)的一大助力。

3） 大型跨域異構(gòu)編隊(duì)。

近年來，針對跨域異構(gòu)編隊(duì)協(xié)同導(dǎo)航研究所使用的無人系統(tǒng)平臺（USV，UUV 和UAV）的總數(shù)大多為2～5 艘（架），然而，面對未來越來越復(fù)雜的任務(wù)，跨域異構(gòu)無人編隊(duì)數(shù)目無疑將遠(yuǎn)超此數(shù)目。隨著跨域異構(gòu)編隊(duì)的擴(kuò)大，編隊(duì)中的USV與其他無人系統(tǒng)平臺的信息交流和融合的難度會增加，導(dǎo)航難度也將相應(yīng)地增加。因此，在大型跨域異構(gòu)編隊(duì)中，如何協(xié)調(diào)好USV 與其他無人系統(tǒng)平臺的信息融合、交互是未來跨域異構(gòu)編隊(duì)協(xié)同導(dǎo)航研究的熱點(diǎn)問題之一。

5 結(jié) 語

基于USV 跨域異構(gòu)編隊(duì)協(xié)同導(dǎo)航是解決水下、水面、天空3 個空間中USV/UAV/UUV 導(dǎo)航定位的關(guān)鍵技術(shù)。跨域異構(gòu)編隊(duì)內(nèi)不同類型的無人系統(tǒng)平臺間的相互協(xié)作可以彌補(bǔ)編隊(duì)任務(wù)類型單一的缺點(diǎn)，因此，開展基于USV 跨域異構(gòu)編隊(duì)的協(xié)同導(dǎo)航研究具有重要的理論意義和工程意義。本文介紹了基于USV 跨域異構(gòu)編隊(duì)的形式以及UAV/USV 跨域異構(gòu)編隊(duì)近年來的發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了基于USV 跨域異構(gòu)編隊(duì)協(xié)同定位、視覺導(dǎo)航、路徑規(guī)劃中的數(shù)學(xué)模型和算法，闡述了基于USV 跨域異構(gòu)編隊(duì)協(xié)同導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)及未來發(fā)展趨勢。未來，我國應(yīng)加大投入，研制USV，UUV 與UAV 之間的跨域協(xié)同技術(shù)，使我國海洋武器裝置體系更加完善。