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需求背景

随着水下无人潜航器技术的发展和日渐成熟， 单一水下无人潜航器已不能满足需求的发展， 这就使多水下无人潜航器以集群的形式互相协作执行任务成为了水下无人潜航器发展的必然趋势。海上无人系统集群是指通过智能化的指挥、协同控制和信息交互，将水面无人艇集群、 无人水下机器人集群进行有机集成。水面无人艇集群作为重要一环，现已得到高度重视及广泛研究。

相比于单体 UUV，集群有以下突出优势 :

1) 集群系统利用单体自主性能够实现集体决策以及群体级稳态;

2) 集群系统可扩展性很高，个别群内成员的增减不会对系统造成决定性影响;

3) 由于集群系统具有高度可扩展性和稳定性， 所以集群系
统鲁棒性较强;

4) 集群相比于个体最突出的特点是能够完成个体无法独自完成的任务。

需解决的主要技术难题

关键技术

集群智能控制算法 ：集群智能控制算法是集群系统的核心技术， 是控制各个单体活动并能将它们联系起来形成一个系统合作执行任务的关键。

通信网络设计 ：远距离通信、大容量通信、高质量通信、强抗干扰性和保密性是对 UUV 通信系统的基本使用要求。前 UUV 的主要通信方式有: 光缆通信、卫星通信、线电通信和水声通信。

任务分配 ：任务分配是随着集群技术发展最早被研究的技术之一， 任务分配的研究对象日益复杂， 分配的任务也多样化。现阶段任务分配方法根据对应集群的控制方式 不 同主要分为集中式分配和分式分配。

路径规划 ：路径规划问题是指在航行器工作环境中， 按照一定的评价标准 ( 耗能最少、路线最短、时间最少 等) 为 UUV 寻找一条安全到达目标点的最优路径。该技术拓展到集群中，对控制和算法设计提出了更高的要求。

编队控制 ：编队控制就是一种控制一组 UUV 在任务需要时沿着所需路径移动的技术， 同时保持所需的队形，并适应环境约束: 如障碍物， 有限的空间， 洋流和通信约束。目前主要的编队控制方法分为以下几种: 虚拟结构方法、领航者－跟随者方法和人工势场法。

导航定位 ：由于 UUV 通常需要长时间在大范围海域执行任务， 而且通常 UUV 体积不大， 所以所携带能源和质量等均受到一定的限制。这种客观条件限制以及隐蔽性和水下特殊环境等因素综合导致多 UUV 精确导航定位的实现是一项非常艰巨的任务。多UUV协同导航定位主要有2种方式 : 1) 每 个UV 配备的导航装备相同， 互相通过水声通信获得系统中其他 UUV 的位置信息的并行方式; 2) 采用少量 UUV 配备高精度导航设备为其他 UUV 提供精确相对定位信息， 其他 UUV 利用这种相对定位信息修正自身定位误差的领航方式。并行式的结构简单， 但每个 UUV 都装备高精度导航设备， 成本将成倍增加。而领航式则兼顾了精度和成本且能够适用于不同的使用区域和环境， 是当今多UUV 导航定位的重点研究方向。

期望实现的主要技术目标

a 稳定可靠的集群智能控制算法 。

b 通信网络设计 ：远距离通信、大容量通信、高质量通信、强抗干扰性和保密性是对 UUV 通信系统的基本使用要求。

c 合理的任务分配方法。

d 完善的路径规划方法。

e 有效的编队控制 ：编队控制就是一种控制一组 UUV 在任务需要时沿着所需路径移动的技术， 同时保持所需的队形，并适应环境约束: 如障碍物， 有限的空间， 洋流和通信约束。

需求解析

解析单位：“科创中国”高端装备产业科技服务团（中国造船工程学会） 解析时间：2022-07-27

洪智超

江苏科技大学

副教授

综合评价

鉴于当今科技发展潮流，已经有学者提出将人工智能技术应用到UUV集群空置当中，可以预见浙江大大提高现有航行器的自主能力，也将使集群控制更加智能化。未来集群技术的发展除了建立在前文提到的关键技术发展上之外，航行器自身的智能型的提高将是集群发展的强大助推器。

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