无人潜航器技术趋势

作者：马晓晨

为了更好地开展国防战略性前沿技术研究、洞察技术发展趋势、识别技术迷雾，采用基于神经网络和聚类分析的前沿技术趋势分析方法，从科技文献数据库中提取技术方向关键词，考虑新颖性、权威性、重要性等指标，计算前沿度得分，提出了无人潜航器的 20 项技术趋势。

表1 无人潜航器的 20 项技术趋势

1. 利用无人潜航器探测海洋生态环境

西班牙海洋科学研究所提出，可利用遥控潜航器、无人潜航器等平台构建水下监视网络，用于监视海洋底栖生物状态。英国南安普敦大学利用遥控潜航器和无人潜航器的高分辨率多光束测深图像等技术，研究了冷水珊瑚的生长状态。

2. 无人潜航器的自供电技术

重庆大学设计了一种利用摩擦纳米发电机的惯性导航模块，并与电磁供电的卫星定位模块相结合，用于自供电无人潜航器对海洋环境的长时间监测。美国亚利桑那州立大学提出可利用水面或水下太阳能电池为无人潜航器或水下传感器网络供电，延长续航力。江苏科技大学设计了一种使用压电器件的无人潜航器，可通过压电发电，同时减少艇体振动。哈尔滨工业大学设计了一种水下双压电能量回收系统，由两组压电器件构成，可用于小型无人潜航器。

3. 无人潜航器的自适应控制

华中科技大学提出了一种底部跟踪控制器，利用Barbalat引理和李雅普诺夫引理实现控制系统的稳定性，适用于具有饱和执行器的无人潜航器的模糊自适应控制。印度国立理工学院针对存在结构性和非结构性不确定性的无人潜航器，提出一种混合轨迹跟踪控制方案，利用Barbalat引理和类李雅普诺夫引理减少跟踪误差。

4. 利用蚁群算法的无人潜航器路径规划

华南理工大学结合蚁群算法和A*算法，提出了无人潜航器路径规划的新方法，适用于具有密集障碍物的环境。厦门大学提出了基于粒子群算法的改进蚁群算法，用于无人潜航器在复杂海底环境的路径规划。

5. 以无人潜航器构建水下物联网

天津大学研究提出，水下物联网与无人潜航器、智能传感器、水下通信和水下路由协议的发展密切相关。韩国庆北大学提出，可利用无人潜航器将水下无线传感器网络接入地面设备或互联网。西班牙赫罗纳大学为无人潜航器设计了对接系统，目的是构建水下物联网。

图1 水下物联网示意图

6. 无人潜航器的编队控制

东北大学秦皇岛分校提出了一种有限时间编队控制方法，用于含有未知控制方向无人潜航器的编队控制。中国科学院自动化所针对无人潜航器编队的时变跟踪控制，提出了一种利用径向基函数神经网络的自适应学习控制方法。美国罗德岛大学针对具有非线性不确定性的无人潜航器编队控制问题，提出了一种利用协作学习的自适应编队控制方法，实现了位置可交换的编队控制。

7. 利用强化学习的无人潜航器跟踪控制

西北工业大学提出了一种基于事件触发强化学习的自适应跟踪控制方法，可用于无人潜航器在存在干扰环境中的位置跟踪。燕山大学提出了一种利用强化学习的跟踪控制器，用于无人潜航器的定位和跟踪。美国密歇根理工学院提出了一种基于强化学习的在线学习算法，用于确定受限连续空间（如冰下）的无人潜航器最佳轨迹。清华大学针对欠驱动无人潜航器的轨迹跟踪，提出了一种基于多伪Q学习的确定性策略梯度算法，可提高跟踪控制精度。清华大学针对无人潜航器的深度控制问题，提出了一种基于确定性策略梯度和神经网络的无模型强化学习算法。

8. 无人潜航器仿生设计

山东大学建立了模拟鱼类的运动学模型，研究了不同鱼类模型对流场的影响。南京理工大学提出一种预应变的肌肉收缩模型，可用于研究鱼类的间歇运动步态，可为无人潜航器设计提供参考。美国哈佛大学建立了金枪鱼侧向龙骨、胸鳍等物理模型，研究了金枪鱼形态与运动性能的关系，相关结论可用于设计仿生无人潜航器。波兰海军学院提出了一种用于仿生无人潜航器的水声系统，用于避免潜航器与潜艇等低速螺旋桨舰艇的碰撞。美国麻省理工学院设计了用于水下生物探索的软体机器鱼，可由指挥人员通过声学控制。

图2 仿生无人潜航器

9. 以无人潜航器为移动边缘的水下传感器网络

华侨大学提出，无人潜航器可用于构建水下无线传感器网络，提出了一种以无人潜航器为移动边缘的传感器网络数据收集方案。华侨大学提出利用无人潜航器等边缘元素的移动性和计算能力收集和分析数据，降低水下声学传感器网络的数据收集成本。河海大学认为，将无人潜航器用于水声传感器网络时需要考虑任务分配和负载平衡问题，并提出了一种考虑分区的传感器网络数据收集算法。

10. 多无人潜航器协同任务

大连理工大学针对多无人潜航器水下协同搜索问题，提出了一种利用软件定义网络的水下合作搜索框架。西北工业大学提出将整体网络性能作为多无人潜航器协同系统的可靠性指标，并研究了温度和盐度对系统性能的影响。上海海事大学针对有障碍物的水下三维环境，提出了利用神经网络的多无人潜航器协同方法，用于潜航器协同导航和避障。

11. 移动式水下传感器网络时间同步

华中科技大学针对无人潜航器的定位和跟踪，对锚点部署、时间同步和范围估计、轨迹预测等研究方法进行了综述性研究。哈尔滨工程大学提出了一种利用无人潜航器为移动信标的分布式水下传感器网络定位方法。哈尔滨工程大学针对水下声学传感器网络中的传播延迟问题，提出了一种用于移动网络的多普勒增强时间同步方案，可用于促进水下传感器网络各节点间的协同。加拿大纽芬兰纪念大学提出了一种求解非线性方程的线性方法，可用于处理来自无人潜航器的定位信息。

12. 利用过氧化氢重整燃油或直接推进的动力系统

韩国科学技术院提出了一种使用过氧化氢的燃油重整反应器，利用过氧化氢分解产生的气体和热量驱动燃油重整，可用作无人潜航器的水下动力源。韩国科学技术院提出结合过氧化氢驱动的燃油重整器与质子交换膜燃料电池，用于无人潜航器的水下推进。美国爱荷华州立大学提出利用过氧化氢的无人潜航器推进系统有望实现较好的加速、转弯特性，并研制出二氧化硅超细纤维/铂纳米颗粒催化剂，用于高效催化过氧化氢分解。

13. 无人潜航器水下无线充电

哈尔滨工业大学针对无人潜航器的水下感应无线充电，提出了利用偶极线圈的磁耦合器。美国圣地亚哥州立大学提出一种带有反向缠绕接收器的无线充电系统，用于轻型无人潜航器的高效充电。美国圣地亚哥州立大学提出三相无线充电系统，可用于无人潜航器的水下充电站。

图3 水下充电站示意图

14. 水陆两栖无人系统

美国北卡罗来纳州立大学设计了一种固定翼水陆两栖无人系统，可在空中、水面、水下跨域航行。美国北卡罗来纳州立大学比较了四旋翼/固定翼混合动力无人机、垂直起降尾部垂地无人机、喷水辅助起降无人机的水陆两栖特性，并研制了垂直起降尾部垂地无人机样机，可实现水陆跨域航行。

15. 利用非奇异积分终端的无人潜航器跟踪控制

上海交通大学提出了一种自适应快速非奇异终端滑模控制方法，可提高无人潜航器轨迹跟踪控制方法的收敛速度。上海交通大学提出了一种自适应二阶快速非奇异终端滑模控制方法，用于存在动态不确定性和时变干扰情况下无人潜航器的跟踪控制。哈尔滨工程大学利用快速非奇异终端滑模技术，提出一种控制多个海底资源探测无人潜航器的方法。上海交通大学提出了一种自适应非奇异终端滑模控制方法，用于具有动态不确定性和事变外部干扰环境下的无人潜航器轨迹控制。

图4 哈尔滨工程大学无人潜航器模型图

16. 改进无人潜航器的单信标导航精度

哈尔滨工程大学提出一种基于期望最大化算法的单信标导航方法，可提高无人潜航器导航精度。俄罗斯圣光机大学提出了一种离散时间线性随机系统的滤波算法，可用于无人潜航器的单信标导航。哈尔滨工程大学提出利用单输入多输出模型，提高无人潜航器集群中单信标导航方法的精度。

17. 声呐图像中的目标识别

山东大学提出了一种结合简单线性迭代聚类、自适应约束与马尔可夫随机场的图像分割方法，可提高声呐图像分类精度。天津大学提出将卷积神经网络与马尔可夫随机场相结合，用于侧扫声呐图像的分割和识别。

18. 无人潜航器视觉定位

大连理工大学提出了一种伪3D视觉惯性水下定位方法，将深度信息与二维图像相结合，可用于无人潜航器的低成本水下定位。哈尔滨工业大学提出一种结合立体点和线信息的SLAM(基于立体视觉的即时定位与地图构建)定位方法，用于无人潜航器在特征点较少的水下环境中的定位。

19. 优化无人潜航器的环境采样任务

美国南加州大学针对无人潜航器的水下环境采样任务，提出了一种任务规划和在线学习方法，能准确学习环境数据，应对动态环境变化。上海交通大学针对在时空变化海洋环境和有限能源情况下无人潜航器的自适应环境采样问题，提出了一种应用模糊逻辑的路径规划方法，可自主选择最佳路线。

20. 无人潜航器的深海探测任务

河海大学提出，执行深海探测的无人潜航器需具备高精度定位能力，可通过置信区间模型，提高地形辅助导航的收敛速度和精度。日本九州技术研究所针对无人潜航器的深海探测任务，提出了一种基于Retinex理论的海底图像增强方法，可增强深海目标识别能力。

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