沈新蕊, 王延輝, 楊紹瓊, 梁 巖，李昊璋

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【編者按】水下滑翔機作為一種新型的無人水下航行器, 具有能耗小、續(xù)航力強、制造成本和維護費用低、可大量投放和重復(fù)使用等特點, 滿足了長時續(xù)、大范圍海洋探索的需要。2004年以來, 以混合推進技術(shù)為特征的新一代水下滑翔機成為國際研究新趨勢, 較好地補充了傳統(tǒng)水下滑翔機航速低和抗流能力較弱的問題, 具有良好的機動性、可靠性及隱身性。天津大學(xué)水下機器人團隊作為國內(nèi)率先參與設(shè)計研發(fā)混合推進水下滑翔機的機構(gòu)之一, 其研制的“海燕-II”水下滑翔機采用最新混合推進技術(shù), 設(shè)計最大工作深度1 500 m, 設(shè)計最大航程1 500 km, 可持續(xù)不間斷工作30天以上, 具備獨立在水下全天候工作的能力, 實現(xiàn)了水下滑翔機整體水動力優(yōu)化設(shè)計、大深度滑翔、新型驅(qū)動融合設(shè)計和多任務(wù)觀測模塊集成研究等關(guān)鍵技術(shù)的自主創(chuàng)新, 有力推進了我國水下滑翔機的實用化進程。2018年4月, 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室海洋觀測與探測聯(lián)合實驗室(天津大學(xué)部分)的“海燕-10000”深?；铏C在馬里亞納海溝首次下潛至8 213 m, 刷新了深海滑翔機工作深度的世界紀(jì)錄。我刊有幸邀請到該團隊骨干成員精心撰文, 詳細介紹了國內(nèi)外水下滑翔機技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀, 并對該領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展趨勢進行了展望, 希望此篇全景式的綜述文章能為關(guān)注該領(lǐng)域的廣大讀者提供全面細致的信息解讀, 旨在拓寬相關(guān)科研工作者的研究思路, 促進國內(nèi)水下滑翔機技術(shù)的發(fā)展。

水下滑翔機技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

沈新蕊1,2, 王延輝1,2, 楊紹瓊1,2, 梁 巖1,2，李昊璋1,2

(1. 天津大學(xué) 機械工程學(xué)院, 天津, 300350; 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室 海洋觀測與探測聯(lián)合實驗室, 山東 青島, 266237)

水下滑翔機依靠調(diào)節(jié)浮力實現(xiàn)升沉, 借助水動力實現(xiàn)水中滑翔, 是一種特殊的無人水下航行器, 可對復(fù)雜海洋環(huán)境進行長時續(xù)、大范圍的觀測與探測, 在全球海洋觀測與探測系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。文中綜述了國內(nèi)外水下滑翔機技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀, 重點介紹了水下滑翔機單機平臺及其核心技術(shù)的研究進展, 并對支撐水下滑翔機動力學(xué)與控制領(lǐng)域的研究進行了歸納。此外, 依據(jù)國內(nèi)外具有代表性的成果, 對水下滑翔機協(xié)作組網(wǎng)觀測技術(shù)進行了概述, 并詳細介紹了水下滑翔機小型低耗傳感器設(shè)計與集成技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用, 闡述了水下滑翔機數(shù)據(jù)格式與協(xié)議領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀。最后, 從水下滑翔機功耗優(yōu)化, 通信及智能化水平的提升等領(lǐng)域, 對水下滑翔機技術(shù)未來的發(fā)展趨勢進行了展望。

水下滑翔機; 組網(wǎng)觀測技術(shù); 傳感器設(shè)計; 數(shù)據(jù)格式與協(xié)議; 智能感知

0 引言

作為一種新型水下無人航行器, 水下滑翔機(underwater glider, UG)具有成本低、續(xù)航長及可重復(fù)利用等優(yōu)點, 并兼具一定的航跡控制能力, 已成為海洋環(huán)境觀測與探測平臺的重要組成部分。此外, 它還具備短時延信息傳輸和大范圍運行的能力, 是海洋四維空間強有力的觀測和探索工具之一[1]。UG還可用于探測和追蹤典型或突發(fā)海洋事件, 適用于“中尺度”和“亞中尺度”海洋動力過程的觀測, 可為海洋學(xué)領(lǐng)域的研究提供高分辨率的空間和時間觀測數(shù)據(jù)。

UG在新興的全球海洋觀測系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。作為一種有效的新興海洋探索平臺, UG可在深遠海和大陸架等獨特海洋環(huán)境中進行重復(fù)調(diào)查, 其操作靈活, 具備多機協(xié)作觀測等特性, 在這類精細化密集型海洋環(huán)境觀測中具有廣闊的應(yīng)用前景。

當(dāng)前, 國外UG技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用主要集中于美國、法國、英國和澳大利亞等海洋強國, 其中美國一直是先驅(qū)者和領(lǐng)導(dǎo)者。自1989年美國海洋學(xué)家Stommel[2]提出UG的發(fā)展和應(yīng)用規(guī)劃后, UG技術(shù)進入高速發(fā)展期。20世紀(jì)90年代, 美國相繼開發(fā)成功Slocum[3]、Seaglider[4]和Spray[5]3種典型UG, 并持續(xù)進行UG技術(shù)攻關(guān)和應(yīng)用探索。除美國外, 歐洲和澳大利亞從21世紀(jì)開始專注于UG的應(yīng)用和協(xié)作技術(shù)的研究, 并組建了各自的UG觀測網(wǎng)絡(luò), 顯示了其在UG應(yīng)用方面的技術(shù)水平。

我國UG技術(shù)的研究始于本世紀(jì)初, 雖然起步較晚, 但在UG單機相關(guān)技術(shù)方面發(fā)展迅速。天津大學(xué)2002年開始第一代UG的研制, 于2005年研制完成溫差能驅(qū)動UG原理樣機, 并成功進行水域試驗。同年, 中國科學(xué)院沈陽自動化研究所開發(fā)出了UG原理樣機, 并完成湖上試驗[6-7]。天津大學(xué)于2007年研制出“海燕”混合推進UG試驗樣機, 并在撫仙湖成功完成水域試驗。此外, 國家海洋技術(shù)中心[8]、中國海洋大學(xué)[9]、中國船舶重工集團公司第710研究所[10]、第702研究所[11]、華中科技大學(xué)[12]、上海交通大學(xué)[13]、浙江大學(xué)[14]、西北工業(yè)大學(xué)[15]、大連海事大學(xué)[16]等也對UG技術(shù)進行了相關(guān)研究。2015年4~6月, 天津大學(xué)水下機器人團隊投入多臺“海燕”UG在多家UG性能綜合測試中, 創(chuàng)造了我國UG當(dāng)時的工作深度、連續(xù)航程、航時及剖面數(shù)等多項紀(jì)錄。2017年3月, 中國科學(xué)院沈陽自動化研究所的“海翼-7000”深?；铏C在馬里亞納海溝完成了6 329 m大深度下潛觀測任務(wù), 打破了當(dāng)時UG工作深度的國際紀(jì)錄。2018年4月, 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室海洋觀測與探測聯(lián)合實驗室(天津大學(xué)部分)的“海燕-10000”深海UG在馬里亞納海溝首次下潛至8213 m, 刷新了深海UG工作深度的世界紀(jì)錄。

1 UG本體平臺

1.1 常規(guī)UG

最早的UG是由Teledyne Webb Research (TWR)公司于1991年研制成功的Slocum[17]。該UG經(jīng)多年不斷完善, 已成為當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的UG產(chǎn)品之一。1999年美國Scripps和Woods Hole海洋研究所共同研制成功Spray, 其工作深度可達1500 m[18]。同年, 美國華盛頓大學(xué)研制成功Seaglider, 其采用新型技術(shù)的耐壓殼體減小浮力改變量, 可有效節(jié)省能源[19]。目前, Slocum、Spray和Seaglider是國際上的主流UG產(chǎn)品[20]。近年來, 美國Exocetus公司還研發(fā)了用于淺海觀測任務(wù)的ANT Littoral Glider和Exocetus Coastal Glider, 與其他UG相比, 其運行速度性能優(yōu)勢明顯[21]。國際上, 當(dāng)前典型常規(guī)UG如圖1所示, 其相應(yīng)主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

圖1 常規(guī)水下滑翔機

1.2 多模式混合推進UG

針對UG運動速度慢、抗流能力相對較弱的問題, Bachmayer等[22]首次提出了“Hybrid Glider”的概念。經(jīng)過近20年發(fā)展, 混合推進水下滑翔機(hybrid-driven underwater gliders, HUG)平臺技術(shù)逐漸成熟。國外已達到實用水平和商品化的HUG, 包括法國研發(fā)的Sea Explorer[23]、Sterne[24]和北約研制的Folaga[25]。它們均在UG的尾部加裝螺旋槳推進器, 實現(xiàn)多模式混合推進。

我國在HUG研發(fā)方面與國際基本同步, 也取得了關(guān)鍵性技術(shù)突破。天津大學(xué)經(jīng)多年研發(fā), 完成了HUG “海燕-II”(Petrel-II)的研制, 在工作深度、航行速度方面具有一定優(yōu)勢[26-27]。同時, 中國科學(xué)院沈陽自動化研究所也開展了HUG的單元技術(shù)攻關(guān), 部分關(guān)鍵技術(shù)獲得突破。當(dāng)前國內(nèi)外典型HUG如圖2所示, 相應(yīng)主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表1 典型常規(guī)水下滑翔機主要技術(shù)指標(biāo)

圖2 典型的混合推進水下滑翔機

表2 HUG主要技術(shù)指標(biāo)

1.3 深海UG

美國華盛頓大學(xué)為突破UG深度極限, 通過采用碳纖維復(fù)合材料耐壓殼體, 研制出了用于監(jiān)測深海環(huán)境的大深度UG——Deep Glider, 其設(shè)計工作深度6 000 m, 可搭載溫度、鹽度和溶解氧等多種任務(wù)傳感器[28], 并實現(xiàn)了工作深度近6 000 m的實際應(yīng)用。

國內(nèi), 中國科學(xué)院沈陽自動化研究所于2017年研制成功7 000 m級“海翼”深海UG, 并在馬里亞納海溝完成了6329 m大深度下潛試驗[29]。青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室自2016年實施“問海計劃”項目, 支持天津大學(xué)和中國船舶重工集團公司第710研究所等多家單位進行4 000 m級深海UG關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān), 已研發(fā)完成的深海UG 4 000 m級樣機于2018年4月成功開展系列化的海上試驗驗證。同期, 天津大學(xué)的“海燕-10000”首次下潛至8213m, 刷新了此前也是由我國深海UG保持的世界紀(jì)錄。當(dāng)前國內(nèi)外部分深海UG如圖3所示, 相應(yīng)主要技術(shù)指標(biāo)在表3中列出。

圖3 深海UG

表3 深海UG主要技術(shù)指標(biāo)

1.4 飛翼UG

美國Scripps海洋學(xué)研究所和華盛頓大學(xué)聯(lián)合在2003年開發(fā)了Liberdade級翼身融合大型UG[30]。該類UG分為聲學(xué)滑翔機X-Ray和Z-Ray, 是世界上已知體積和質(zhì)量最大的UG[31]。

1) X-Ray

X-Ray是一種基于“飛翼”設(shè)計的UG, 其整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。X-Ray翼身融合, 設(shè)計獨特, 可實現(xiàn)翼展水平距離最大化和功率消耗最小化, 最大限度地提高其探測和定位能力, 并在蒙特利灣開展了相關(guān)的海試應(yīng)用[32]。

2) Z-Ray

Z-Ray是X-Ray的改進型, 搭載有聲學(xué)傳感器, 其主要功能是跟蹤和自動識別海洋哺乳動物[33]。Z-Ray升阻比為35: 1, 具有良好的姿態(tài)控制和航行能力, 目前已應(yīng)用于圣地亞哥海底被動聲學(xué)自主監(jiān)測海洋哺乳動物計劃(passive acoustic autonomous monitoring of marine mammals program), 如圖5所示。

美國X-Ray和Z-Ray兩型號翼身融合設(shè)計的UG, 與傳統(tǒng)UG相比融合了展弦比大的機翼, 可提供更高的升阻比, 并提升能源利用效率, 但降低了內(nèi)部空間利用率。因此, 在提高UG水動力性能的基礎(chǔ)上, 盡可能地增加內(nèi)部空間, 是翼身融合UG的設(shè)計難點和需要突破的技術(shù)方向。

在國內(nèi), 孫春亞等[34]針對翼身融合UG的設(shè)計難點, 以最大航程為目標(biāo)對UG外形設(shè)計進行優(yōu)化, 提高了UG的升阻比并增大了機體體積, 兼顧了高水動力性能和大能源攜帶量兩方面的需求; 何衍儒等[35]使用非支配排序多目標(biāo)遺傳算法對翼身融合UG機身結(jié)構(gòu)進行了質(zhì)量和外形的多目標(biāo)設(shè)計優(yōu)化, 其結(jié)果對翼身融合UG機身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計具有一定工程參考價值。

1.5 溫差能UG

溫差能驅(qū)動UG是指利用水域表層與深層的溫度差實現(xiàn)動力驅(qū)動功能。美國TWR公司是國外唯一開展溫差能UG的研究機構(gòu), 已完成了4代樣機的研制[36]。其于1988年研制出世界首臺溫差能驅(qū)動UG原理樣機, 通過水域試驗驗證了溫差能UG方案的可行性[3]; 于2005年研制成功了具備連續(xù)俘獲海洋溫差能, 執(zhí)行遠航任務(wù)能力的第2代Slocum Thermal WT01[37]; 2008年, 第3代Slocum Thermal研制成功, 其溫差能換熱器性能有了較大提升, 換熱器基本定型[38]; 并于2013年研制成功了第4代Slocum Thermal E-Twin溫差能驅(qū)動UG, 其具有將溫差能轉(zhuǎn)化為電能的功能, 可為主控等耗電系統(tǒng)供電, 且不受自身攜帶電池能量的限制[39](見圖6)。

圖6 4代Slocum溫差能水下滑翔機

國內(nèi), 天津大學(xué)自2002年開始進行溫差能驅(qū)動UG的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。2005年7月, 其溫差能UG在千島湖進行水域試驗, 完成了25個剖面運動后回收[40-41]。2006年, 王樹新等[6]對此溫差能UG進行了動力學(xué)分析, 為溫差能UG技術(shù)的進一步發(fā)展提供了理論支撐。目前, 天津大學(xué)已開發(fā)出溫差能UG的工程樣機, 并在2015年實現(xiàn)了連續(xù)700余公里, 200余剖面的海上應(yīng)用。

溫差能UG利用相變材料(phase change material, PCM)的熱脹冷縮獲取海洋熱能, 并將其轉(zhuǎn)化為機械能或電能, 以實現(xiàn)浮力驅(qū)動。其中相變材料對周圍海水溫度變化敏感, 可通過增加位移和降低UG滑翔角的絕對值來消除主溫躍層對熱機性能的負面影響并提高UG的相關(guān)性能[42-44]。Xia等[45]分析了PCM熔化凝固的新型數(shù)學(xué)模型, 驗證了熔融率與膠囊過冷度的影響因素, 其研究結(jié)果為溫差能UG的設(shè)計提供了有用信息。在熱機的基本原理上, Ma等[46]建立了系統(tǒng)壓力與相變率之間關(guān)系的非線性模型, 綜合分析了影響系統(tǒng)壓力和儲能的因素。此外, Zhang等[47]還介紹了一種獨特的層間熱機, 其可有效提高溫差能UG的換熱效率。

1.6 波浪滑翔機

嚴(yán)格來說, 波浪滑翔機(wave glider)利用波浪能實現(xiàn)驅(qū)動, 只能完成水面表層觀測, 但其彌補了傳統(tǒng)UG信息采集的盲區(qū), 是對采用傳統(tǒng)運動原理UG作業(yè)區(qū)域的補充, 是一種特殊的UG。波浪滑翔機最早由美國Liquid Robotics公司于2009年成功研發(fā), 命名為Red Flash, 并完成了一系列海上試驗[48]。2011~2013年, 該型波浪滑翔機穿越太平洋, 打破了“無人船”最遠航程的世界紀(jì)錄。Red Flash波浪滑翔機由水面船和水下滑翔動力機構(gòu)兩部分組成, 其整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

我國對于波浪滑翔機的研究起步較晚。為增強我國海洋探索能力, 中國船舶重工集團公司第710研究所于2017年成功研制出了具有國際技術(shù)水平的波浪滑翔機“海鰩”, 并于同年6月成功海試, 見圖8。同期, 桑宏強等[49]共同參與的大型“黑珍珠”和小型“海哨兵”波浪滑翔機也研制成功并通過海試, 目前可小批量生產(chǎn)。

2 UG關(guān)鍵技術(shù)

2.1 浮力驅(qū)動技術(shù)

浮力驅(qū)動系統(tǒng)作為UG的關(guān)鍵部件, 是一套機、電、液耦合的液壓驅(qū)動和體積調(diào)整系統(tǒng), 直接決定了整機的性能與可靠性, 并影響UG的航速、航程和可控性。浮力驅(qū)動系統(tǒng)通過改變外部油囊的體積來改變UG的凈浮力, 根據(jù)外部油囊體積的改變方式分為2類: 一類是利用液壓泵改變外部油囊體積或移動活塞來改變總排水體積的液壓方法[4-5], 如Slocum 電動滑翔機采用的單沖程柱塞泵方式和Seaglider、Spray滑翔機采用的往復(fù)式活塞泵方式; 另一類是通過PCM的熱脹冷縮改變外部油囊體積的熱機方法[6,17]。熱機方法可直接從環(huán)境中獲取實現(xiàn)自身沉浮所需要的能量, 極大減少了能量消耗, 但受到不同海域溫躍層深度的限制。而利用液壓泵改變外部油囊體積的液壓技術(shù)相對較成熟, 目前美國Slocum、Seaglider、Spray、ANT水下滑翔機以及法國Sea- Explorer, 其浮力驅(qū)動系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)與天津大學(xué)開發(fā)的“海燕”UG對比情況[19, 25, 50-51]見表4。

表4 典型水下滑翔機浮力驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

同時, 為了滿足深海探測技術(shù)的需求, 美國的Deepglider滑翔機[52]、新西蘭Otago大學(xué)研制的UnderDOG UG, 以及日本海洋工程技術(shù)中心研制的大潛深2 100 m的高壓浮力驅(qū)動系統(tǒng)均采用以微型軸向柱塞泵為核心的高壓浮力驅(qū)動系統(tǒng)[53-55], 可見深海UG浮力驅(qū)動技術(shù)在大深度UG研發(fā)中的重要地位。

2.2 姿態(tài)控制技術(shù)

UG是一個由殼體、姿態(tài)調(diào)節(jié)及浮力調(diào)節(jié)等系統(tǒng)組成的多體系統(tǒng)。其中姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是UG的重要組成部分, 一般分為“僅內(nèi)部姿態(tài)調(diào)節(jié)技術(shù)”和“尾舵結(jié)合內(nèi)部姿態(tài)調(diào)節(jié)技術(shù)”兩類。內(nèi)部姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過控制艙內(nèi)質(zhì)量塊的移動實現(xiàn)對整機重心位置的調(diào)節(jié), 從而達到有效的姿態(tài)控制, 其設(shè)計的優(yōu)劣直接影響UG的性能。

1) 僅內(nèi)部姿態(tài)調(diào)節(jié)

僅內(nèi)部姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)由俯仰調(diào)節(jié)機構(gòu)和橫滾調(diào)節(jié)機構(gòu)構(gòu)成。其中, 俯仰調(diào)節(jié)機構(gòu)通過控制質(zhì)量塊在UG軸線方向上的移動, 實現(xiàn)UG按照設(shè)定的滑翔角度沉浮; 橫滾調(diào)節(jié)機構(gòu)則通過控制偏心質(zhì)量塊的周向轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)UG的轉(zhuǎn)向。通過控制艙內(nèi)質(zhì)量塊軸向平移和周向轉(zhuǎn)動的內(nèi)部姿態(tài)控制方法, 適用于深海UG, 如Spray[5], Slocum thermal[56], Seaglider[4]和Deepglider[28]滑翔機等均采用直流電機驅(qū)動偏心質(zhì)量塊的方式進行姿態(tài)調(diào)節(jié), 且質(zhì)量塊通常為UG機艙內(nèi)的電池包。國內(nèi)天津大學(xué)研制的Petrel-II UG的姿態(tài)控制亦采用了這種方式, 將姿態(tài)控制系統(tǒng)置于UG殼體之內(nèi), 因此不必考慮姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的高壓密封問題。

2) 尾舵結(jié)合內(nèi)部姿態(tài)調(diào)節(jié)

通過采用艙內(nèi)質(zhì)量塊軸向平移和附連到UG尾部的方向舵尾舵調(diào)節(jié)姿態(tài)的UG結(jié)構(gòu)相對簡單, 適用于執(zhí)行地形地貌相對復(fù)雜的淺海水域任務(wù)。例如電能驅(qū)動Slocum UG采用步進電機調(diào)節(jié)尾舵轉(zhuǎn)向, 進而控制UG的轉(zhuǎn)向[3]。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制的“海翼”號UG的姿態(tài)控制方式與電能驅(qū)動Slocum UG相似, 也是通過步進電機調(diào)節(jié)尾舵實現(xiàn)轉(zhuǎn)向, 從而調(diào)節(jié)UG的航向[57]。

2.3 多?；旌贤七M技術(shù)

目前, 多模HUG的研究已經(jīng)成為國際性研究熱點之一。由于其較好地補充了傳統(tǒng)UG航速低的問題, 在航速、功耗、航程、壽命及機動性和隱身性等方面綜合性能優(yōu)良, 可以滿足更為廣闊的應(yīng)用需求。目前, 多模HUG均采用浮力驅(qū)動為主, 輔以螺旋槳推進或噴水推進等, 在傳統(tǒng)水下滑翔運動之外, 實現(xiàn)動力滑翔、水平推進等功能, 一定程度上提高了UG的運動速度和機動性, 豐富了UG的運動模式。但上述功能的實現(xiàn)也不可避免地增加了UG的能耗, 減少了其續(xù)航能力。為此, UG的混合推進功能更多是針對具體的任務(wù)需求, 在平衡機動性和續(xù)航能力的基礎(chǔ)上進行總體優(yōu)化設(shè)計。多模混合推進的設(shè)計方案, 一定程度上會造成UG運動失穩(wěn), 為此對UG運動穩(wěn)定性和操控性均提出較高要求, 是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。針對此類難點, 天津大學(xué)對HUG的運動模式和穩(wěn)定性進行系統(tǒng)分析[58-60], 設(shè)計開發(fā)了有翼HUG“海燕”[61-63]; 哈爾濱工程大學(xué)則設(shè)計了具有塑料外殼和水射流推進器的水下航行器[64-66]; Yue等[67-71]也設(shè)計開發(fā)了類似的水下航行器。

2.4 輕量化耐壓殼體技術(shù)

UG在水中運行時, 其所承受的海水壓力與下潛深度成正比。在承受外壓情況下, UG殼體發(fā)生變形, 會引起所受浮力的變化和耐壓殼體的失效。在確保殼體強度和穩(wěn)定性的同時, 盡量減輕殼體質(zhì)量并擴大內(nèi)部空間和負載能力, 是最為理想的UG殼體優(yōu)化技術(shù)。因此, 對UG耐壓殼體的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計也尤為重要[72]。為了使耐壓殼體既滿足工作需要, 又具有相對較輕的質(zhì)量, 王兵振等[73]對UG耐壓殼體進行了結(jié)構(gòu)參數(shù)分析, 擴大了UG中段的艙內(nèi)空間, 減輕了殼體質(zhì)量。田文龍等[15]通過對UG殼體和機翼的設(shè)計優(yōu)化, 提出了一種新型高速UG, 并通過仿真分析驗證了其設(shè)計方法的優(yōu)越性。而Song等[74]在優(yōu)化UG主體外形和改進殼體材料的基礎(chǔ)上, 使用有限元分析對UG耐壓殼體進行了結(jié)構(gòu)分析和尺寸優(yōu)化。通過對UG二次開發(fā), 自動生成了多氣泡壓力艙結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型, He等[75]則利用克里金插值法和非支配排序遺傳算法對UG多氣泡壓力艙進行了多目標(biāo)優(yōu)化。

3 UG動力學(xué)與控制

3.1 動力學(xué)建模

動力學(xué)模型是UG運動性能分析和控制策略設(shè)計的理論基礎(chǔ), 是開展UG研究的重要內(nèi)容之一。UG通過液壓系統(tǒng)改變浮力, 在垂直平面中遵循鋸齒運動模式, 混合推進UG還具備在水平面上直線航行能力。其固定翼的水動力升力提供了UG的動能, 因此除了調(diào)整浮力之外, UG水平移動不需要額外的能量消耗。Graver與Bhatta等[76-77]最早建立了UG的動力學(xué)模型, 并開展了仿真分析, 此后許多學(xué)者均以此為基礎(chǔ), 對各自研發(fā)的UG發(fā)展了適用的動力學(xué)模型。例如, Graver[78]，Bhatta和Leonard[79]建立了描述Slocum UG行為的動力學(xué)模型和非線性動力學(xué)方程?；诩氶L體理論, Isa和Arshad[80-81], Noh和Arshad[82]為馬來西亞理科大學(xué)UG推導(dǎo)了動力學(xué)模型并進行了優(yōu)化。Tian等[83]則根據(jù)波浪滑翔機的驅(qū)動原理, 建立了2D非線性動力學(xué)模型。針對浮力驅(qū)動UG運動時的能量變化, Ma等[84]建立了運動方程, 該結(jié)果有助于UG的設(shè)計和控制。此外, 上海交通大學(xué)胡仞與[85]則利用UG模型推導(dǎo)動力學(xué)方程, 對UG在垂直面內(nèi)的運動進行了深入研究。為分析UG縱平面運動特性, 西北工業(yè)大學(xué)陳宇航等[86-87]通過運動學(xué)和動力學(xué)分析, 建立了較為完善的UG 3D空間數(shù)學(xué)模型。

UG通過旋轉(zhuǎn)的內(nèi)部質(zhì)量(如電池組)或結(jié)合尾舵來調(diào)節(jié)方向。盡管大多數(shù)UG系統(tǒng)中都觀察到了螺旋運行狀態(tài), 但與垂直面中鋸齒形運動機制的研究相比, 其產(chǎn)生的基本機制仍然有待深入研究。針對這一難點, Kan等[88]給出了關(guān)于UG螺旋運動的一些模擬結(jié)果。應(yīng)用微擾理論, Mahmoudian等[89-90]推導(dǎo)出了穩(wěn)定螺旋運動的近似解析解。Zhang等[91]則簡化了水下滑翔動力學(xué)的方程, 使用一種遞推算法, 為其螺旋運動提供了快速解決方案。與常規(guī)UG相比, 混合驅(qū)動UG動力學(xué)模型的研究仍未完全成熟[92-93]。基于傳統(tǒng)UG動力學(xué)建模、常規(guī)水動力學(xué)和潛艇水動力學(xué)建模方法, Wang等[94]對混合動力UG的動力學(xué)模型進行了相應(yīng)優(yōu)化。而Isa[95]對UG的數(shù)學(xué)模型及其運動控制進行了分析。針對最小化傾斜角變化值的問題, Gao等[96]根據(jù)海上試驗觀測數(shù)據(jù), 優(yōu)化了UG非線性動力學(xué)模型。

3.2 控制方法

針對在非穩(wěn)定、非均勻流中的UG操作控制問題, Fan等[102]提出了一種非線性多體動力學(xué)模型。從做功的角度, 馬冬梅等[103]提出了UG滑翔姿態(tài)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù), 得出了基于其滑翔角的UG模型控制規(guī)律。針對混合推進UG的運動控制問題, Claus等[104]探討了基于鎮(zhèn)流器的深度控制器及其應(yīng)用。楊海等[105]構(gòu)造了新型前饋控制算法。Niu等[58]進行了混合推進UG的控制穩(wěn)定域的分析, 對混合推進UG控制系統(tǒng)設(shè)計起到一定指導(dǎo)意義。而白樂強等[106]對混合驅(qū)動UG垂直面上的運動提出了一種基于逆模型和滑?？刂频姆蔷€性控制方法, 該方法將原始系統(tǒng)解耦為2個單入單出的線性系統(tǒng), 具有良好的控制性能, 而且對外界擾動具有一定的魯棒性。

4 UG編隊與協(xié)作觀測技術(shù)

UG載荷能力有限, 一般小于5 kg, 因此單臺UG的觀測或探測功能相對單一。為拓展UG的單機功能, 多機編隊與協(xié)作是其重要的發(fā)展和應(yīng)用方向之一。UG的編隊與協(xié)作觀測技術(shù)以UG為核心裝備, 可涵蓋潛標(biāo)系統(tǒng)、浮標(biāo)系統(tǒng)、UUV等多種觀測系統(tǒng)平臺, 具有較好的拓展性, 可以大大提高移動觀測平臺執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的綜合能力, 可滿足海洋觀測與探測復(fù)雜的任務(wù)需求, 將成為未來深、遠海移動觀測的重要技術(shù)手段之一。UG暫時還不具備水下通信能力, 無法實現(xiàn)多機水下通信, 為此每次UG浮出水面, 接受控制中心的指令并發(fā)送觀測數(shù)據(jù), 輔助其編隊與協(xié)作觀測。多臺UG可以分別通過控制分段線性路徑, 實現(xiàn)對其管控, 達到UG的編隊與協(xié)作能力。

4.1 UG多機協(xié)作/協(xié)調(diào)技術(shù)

在一個典型的UG集群部署中, 多個UG可在相同的空間和時間上以適當(dāng)?shù)念l率對一個多變的海洋區(qū)域進行觀測與探測。因此, 多機協(xié)作/協(xié)調(diào)技術(shù)可提升UG等無人航行器海洋采樣、測繪、監(jiān)視和通信等的作業(yè)效率和應(yīng)用效果[107]。為此, Leonard等[108]提出了一個多UG的協(xié)調(diào)和分布式控制框架。Fiorelli等[109]則描述了一種多機協(xié)作控制方法, 并在蒙特利海灣進行了海上試驗。由于分布測量可提高UG集群組網(wǎng)測量性能, Paley等[110]在反饋控制協(xié)調(diào)UG軌跡采樣經(jīng)驗的基礎(chǔ)上, 設(shè)計出了一套UG協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(glider coordinated control system, GCCS)。隨著對UG自主協(xié)作/協(xié)調(diào)技術(shù)的深入研究, 針對具有時變參考軌跡的多個UG的分布式協(xié)調(diào)跟蹤問題, Peng等[111]提出了一種神經(jīng)動態(tài)控制設(shè)計方法, 可用之開發(fā)節(jié)點控制器, 以達到多機協(xié)調(diào)同步, 為UG多機編隊控制的研究提供參考。

為了更好地利用資源和分配任務(wù), UG協(xié)作/協(xié)調(diào)系統(tǒng)在大規(guī)模海洋調(diào)查方面具有很大的應(yīng)用前景[112]。同時使用集成有不同類型傳感器的UG, 可提高組網(wǎng)整體的觀測與探測性能, 減少任務(wù)執(zhí)行時間, 提供更有效的觀測與探測數(shù)據(jù), 近而提高執(zhí)行任務(wù)的成功率。因此, 突破UG的編隊與協(xié)作觀測技術(shù)的難點, 可使得單機或者多機協(xié)作/協(xié)調(diào)的UG集群組網(wǎng)得到廣泛的應(yīng)用。

4.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀

1) 自主海洋采樣觀測網(wǎng)

上世紀(jì)90年代開始, 美國海軍研究院自主海洋采樣網(wǎng)(autonomous ocean sampling network, AOSN)項目研究啟動, 其可用于觀測大范圍近海及沿海區(qū)域內(nèi)各種重要海洋現(xiàn)象[113]。在美海軍研究院支持下, AOSN分別于2000年、2003年和2006年在蒙特利海灣進行了一系列海洋觀測試驗。在試驗中, 多臺UG作為移動分布式的海洋參數(shù)自主采樣網(wǎng)絡(luò)節(jié)點, 在海洋環(huán)境參數(shù)采樣應(yīng)用中顯示出卓越的優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。

2) 近海水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)

美國近海水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)(persistent littoral undersea surveillance network, PLUSNet)是一種半自主控制的海底固定節(jié)點加水中機動節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)施(見圖9)。該網(wǎng)絡(luò)由攜帶半自主任務(wù)傳感器的多個無人水下航行器(移動式通信節(jié)點)組成[114]。航行器間可以互相通信、自主決策, 實現(xiàn)多種任務(wù)執(zhí)行功能, 可密切監(jiān)視并預(yù)測海洋環(huán)境參數(shù)變化。其中UG等的主要任務(wù)為水文測量、海洋噪聲和水下目標(biāo)噪聲偵測, 并快速生成瀕海環(huán)境態(tài)勢變化圖。

3) 綜合海洋觀測系統(tǒng)

美國海洋大氣署于2002年提出組建全國性的綜合海洋觀測系統(tǒng)(integrated ocean observing system, IOOS)網(wǎng)絡(luò)計劃[115]。由于UG在海洋觀測網(wǎng)中的重要作用, 海洋大氣署又于2012年8月初步提出國家水下滑翔機組網(wǎng)計劃(national glider network plan), 并成立數(shù)據(jù)中心, 采用統(tǒng)一的UG數(shù)據(jù)格式, 共享其觀測數(shù)據(jù)。IOOS是美國海洋現(xiàn)象觀測的有力工具, 具有良好應(yīng)對海洋突發(fā)狀況的能力(見圖10)。

4) 歐洲水下滑翔機觀測網(wǎng)

為實現(xiàn)全球性、區(qū)域性及近海岸等不同范圍內(nèi)的長期海洋觀測任務(wù), 英國、法國、德國、意大利、西班牙和挪威等國家組成了歐洲水下滑翔機觀測網(wǎng)(European gliding observatories network, EGO)。2005~2014年4月底, EGO陸續(xù)布放了大約300臺次UG執(zhí)行各種海洋觀測任務(wù), 用于實時采集大西洋海域內(nèi)的海洋剖面數(shù)據(jù)信息。

5) 澳大利亞綜合海洋觀測系統(tǒng)

基于美國和歐洲商品化的UG產(chǎn)品, 澳大利亞也進行了UG網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建技術(shù)的研究, 成立了澳大利亞綜合海洋觀測系統(tǒng)(Australian integrated marine observing system, IMOS)。該項目于2012~ 2013年共布放了包括Seaglider和Slocum在內(nèi)的數(shù)十臺UG, 共計執(zhí)行調(diào)查任務(wù)超過150個, 主要集中用于觀測澳洲東部、南部和西部邊界流, 促進了澳大利亞在UG協(xié)作組網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)方面的迅速發(fā)展。

4.3 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

2014年9月, 天津大學(xué)在我國西沙附近海域最早實現(xiàn)了3臺UG的編隊與協(xié)作觀測作業(yè), 開展了初步嘗試。2017年7月, 中國科學(xué)院沈陽自動化研究所在南海海域布放了共計12臺“海翼”系列UG, 開始進行多機的協(xié)作觀測測試。同期, 天津大學(xué)依托青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室, 聯(lián)合中國海洋大學(xué)、中船重工第710研究所、中山大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等高校和研究機構(gòu), 完成了最大規(guī)模的一次面向海洋“中尺度渦”現(xiàn)象的立體綜合觀測網(wǎng)的構(gòu)建任務(wù)(見圖11)。其中, 移動觀測平臺包括“海燕”UG、各型波浪滑翔機等共計30余臺套國產(chǎn)海洋先進觀測裝備。與以往單機、單種平臺的觀測不同, 這次任務(wù)是綜合采用多種設(shè)備, 進行多參數(shù)、綜合、立體、協(xié)作、異構(gòu)組網(wǎng)同步觀測, 是我國首次實現(xiàn)多種類水面和水下移動平臺、定點與固定平臺相結(jié)合的協(xié)作觀測, 有效提高了我國海洋觀測與探測及相關(guān)數(shù)據(jù)獲取的能力和水平。這次綜合調(diào)查所構(gòu)建的立體觀測系統(tǒng), 是我國區(qū)域海洋觀測的一個重要里程碑。但目前, 我國尚未在國家層面上開展基于UG的觀測網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和長時續(xù)的業(yè)務(wù)化運行。

5 UG專用傳感器集成技術(shù)

UG載荷小、功耗低, 為此其應(yīng)用的傳感器多在體積、質(zhì)量和能耗方面進行了適應(yīng)性改進, 以滿足UG的搭載要求。目前, 國內(nèi)外UG已成功實現(xiàn)多種任務(wù)傳感器的集成與應(yīng)用, 包括溫鹽深傳感器(conductivity temperature depth, CTD)、溶解氧傳感器/光學(xué)氧傳感器、海流計、水質(zhì)傳感器、葉綠素?zé)晒庥?、有色可溶性有機物傳感器、光學(xué)反向散射計、水聽器、高度計、聲學(xué)多普勒湍流剖面儀(acoustic doppler current profilers, ADCP)和剪切流傳感器等, 可為海洋物理、海洋生物化學(xué)和海洋聲學(xué)等現(xiàn)象的分析研究提供支撐。

隨著小型低能耗傳感器及其集成技術(shù)的發(fā)展成熟, 國內(nèi)外集成有不同類型傳感器的UG逐年遞增, 不同UG可攜帶多種不同功能的傳感器負載, 完成不同的觀測與探測任務(wù)。UG任務(wù)傳感器搭載情況如圖12所示。

圖12 水下滑翔機搭載的各類傳感器

UG運動速度慢、穩(wěn)定性好、噪音低, 無論在海洋微結(jié)構(gòu)湍流觀測, 還是在聲學(xué)探測方面, 均為理想的傳感器搭載平臺。文中針對UG在聲學(xué)探測和湍流觀測兩方面的特殊應(yīng)用做重點闡述。

5.1 聲學(xué)傳感器集成與應(yīng)用

UG平臺可采集海洋空間尺度上的聲學(xué)和環(huán)境數(shù)據(jù), 是開展海洋聲學(xué)研究的重要工具之一。2012年, Wall等[116]將水聽器集成于UG的后罩中, 成功地在大空間范圍內(nèi)檢測到魚發(fā)出的聲音。2012年11~12月, 在緬因州中部海灣, 2臺UG采集了超過25000種由鯨魚等造成的聲學(xué)信號[117]。Guerra等[118]使用波浪滑翔機搭載的被動聲學(xué)監(jiān)測設(shè)備記錄人類活動在海上產(chǎn)生的自然噪聲水平和聲學(xué)污染, 包括船舶交通等。應(yīng)用Seaglider UG, Uffelen等[119]通過搭載聲學(xué)數(shù)字監(jiān)視器記錄夏威夷群島鯨類聲音活動。Wall等[120]使用被動聲學(xué)UG技術(shù), 探索美國東南部陸架大西洋水域的聲音信號。而Liu等[121]使用Petrel-II UG測量南海的水下噪聲, 得到并分析了UG軌跡上的水下噪聲譜圖。以上研究充分顯示了UG作為海洋聲學(xué)探測平臺的重要應(yīng)用前景。

5.2 湍流傳感器集成與應(yīng)用

使用UG開展海洋微結(jié)構(gòu)湍流觀測, 也是其重要應(yīng)用方面之一。為了驗證UG測量微結(jié)構(gòu)湍流的可行性, Wolk等[122]將湍流傳感器安裝在Slocum UG中, 嘗試觀測海洋內(nèi)波與混合等現(xiàn)象。Rudnick等[123]使用Spray UG, 在其頭部集成專用海洋微結(jié)構(gòu)湍流傳感器, 于2007年4月~ 2008年7月進行了7次測量任務(wù), 取得了較好的海洋剪切流數(shù)據(jù), 并獲得微結(jié)構(gòu)湍流分布特征(見圖13)。

為了更好地了解海洋溫躍層內(nèi)的湍流特性, Schultze等[124]使用UG采集獲得連續(xù)7天和12天2組海洋微結(jié)構(gòu)湍流數(shù)據(jù)集, 用于分析海洋湍流動能的耗散率, 發(fā)現(xiàn)了海洋溫躍層內(nèi)湍流的部分規(guī)律。

綜上所述, 當(dāng)前國外適用于UG搭載的小型、低耗傳感器設(shè)計與集成技術(shù)發(fā)展迅速, 已成功研發(fā)并實現(xiàn)UG與多種任務(wù)傳感器的集成, 應(yīng)用于海洋環(huán)境參數(shù)觀測, 如壓力、電導(dǎo)率、溫度、湍流、海流、硝酸鹽以及溶解氧等, 且應(yīng)用效果顯著[125]。我國雖然在海洋測量傳感器設(shè)計方面具有較好的基礎(chǔ), 但目前除部分聲學(xué)傳感器外, UG平臺上所用傳感器大部分為進口設(shè)備, 仍缺少一定的技術(shù)積累。

6 數(shù)據(jù)格式與協(xié)議

UG已廣泛應(yīng)用于海洋科學(xué)和地球科學(xué)領(lǐng)域, 改變了人類對于海洋信息的采集方式, 極大地拓展了人類對海洋認(rèn)知的能力與范圍, 這些進展得益于UG日益獲取的大量數(shù)據(jù)。隨著國內(nèi)外多型UG的廣泛應(yīng)用, 其數(shù)據(jù)格式與協(xié)議的規(guī)范性也是推進其更大范圍應(yīng)用的重要內(nèi)容。UG作為一種測量海洋環(huán)境參數(shù)的新型工具, 已有的海洋信息數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)化對其具有很大的借鑒作用。

1999年, 實時地理海洋陣列觀測系統(tǒng)(array for real-time geostrophic oceanography system, ARGOS, 全球海洋觀測網(wǎng)的代稱)開始著手改變平臺ID等數(shù)據(jù)格式, 進行規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化管理。國外研究機構(gòu)對UG觀測數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化時, 多采用與ARGOS數(shù)據(jù)基本相同的流程。2010年, 世界氣象組織提出了使用通用二進制表示氣象數(shù)據(jù)格式, 用以解碼NetCDF文件的編碼, 進行UG測量得到的物理和光學(xué)等參數(shù)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化。CF作為另一個主要的標(biāo)準(zhǔn)格式, 可提高由NetCDF API創(chuàng)建文件的處理和共享性能, 正逐漸被歐洲相關(guān)組織引用。使用這些規(guī)范的數(shù)據(jù), 可對UG路徑實現(xiàn)更好的規(guī)劃。2011年, Smith等[126]指出對UG的觀測數(shù)據(jù)進行類似于ARGOS剖面的標(biāo)準(zhǔn)化處理辦法, 推進Slocum UG應(yīng)用ARGOS數(shù)據(jù)格式與協(xié)議。

2007年, 美國SlocumUG采用數(shù)據(jù)可視化的文件傳輸協(xié)議, 在海面時發(fā)送UG平臺監(jiān)控數(shù)據(jù), 首次完成了海洋環(huán)境和工程數(shù)據(jù)的可視化[17]。2011年, 歐盟開啟滑翔機海洋觀測與管理研究(gliders for research, ocean observation and management, GROOM)項目, 開發(fā)完成了UG數(shù)據(jù)處理方法, 并允許GROOM項目參與者統(tǒng)一UG的數(shù)據(jù)格式, 以界面形式清晰、實時地展示UG的航行情況[127]。

7 UG發(fā)展趨勢

更長的續(xù)航能力、更大的載荷能力、更深的工作能力、更靈活多變的運行模式、更廣泛的工程應(yīng)用是未來UG持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。在UG混合推進和自主機動的背景下, 人工智能、深度學(xué)習(xí)、先進仿生等科技將打破UG的傳統(tǒng)模式, 賦予其更多的應(yīng)用功能和廣闊前景, 因此這些新興技術(shù)將成為未來UG研究的前沿。該節(jié)將討論“可變翼UG技術(shù)”、“仿生UG技術(shù)”和“智能化UG” 3個新興研究方向的進展及其展望。

7.1 可變翼UG技術(shù)

傳統(tǒng)UG的機翼固定在機身上, 機翼不能隨著海洋環(huán)境和任務(wù)的變化做出適應(yīng)性的調(diào)整, 其流體動力學(xué)參數(shù)也是固定的[3]。而具有可控機翼的UG具有可變的流體動力學(xué)參數(shù), 能更好地實現(xiàn)其觀測任務(wù)。為了使UG能自適應(yīng)復(fù)雜多變的海洋環(huán)境, Arima等[128]成功研發(fā)ALEX可變翼UG, 設(shè)想使用大量這種智能UG對海洋環(huán)境進行自適應(yīng)觀測[129]。隨著新型材料科技的發(fā)展, Angilella等[130]提出的可變弧面翼, 利用海洋溫躍層中的溫度變化觸發(fā)植入的形狀記憶合金以改變機翼形狀(見圖14)[131]。而國內(nèi)學(xué)者Yang等[132]設(shè)計的可變翼UG機翼可以實現(xiàn)3種形狀的變化運動, 包括沿2個軸的延伸及其機翼的旋轉(zhuǎn), 該設(shè)計具有較大的工程實踐價值。

可變翼UG具有較高的環(huán)境自適應(yīng)性和運動性能, 但因受限于現(xiàn)階段的基礎(chǔ)工藝水平, 一直發(fā)展的較為緩慢。而隨著生物科學(xué)、仿生技術(shù)的發(fā)展, 通過融合多種UG新興科技, 可變翼UG技術(shù)將成為未來UG智能化的基礎(chǔ)技術(shù)之一。

7.2 仿生UG技術(shù)

基于仿生學(xué)與多學(xué)科融合, 仿生UG將成為傳統(tǒng)UG逐步智能化的“中間環(huán)節(jié)”。經(jīng)多年發(fā)展, 國內(nèi)外仿生UG得到了一定的發(fā)展。德國Evo- Logics公司采用智能設(shè)計, 按照鰩魚進行仿生設(shè)計, 研制出一款仿生UG SubSeaglider。國內(nèi)北京航空航天大學(xué)等多家科研單位根據(jù)魚類運動肌群和流體外形的運動原理, 進行了大量的UG仿生研究, 梳理了國內(nèi)外仿生UG的發(fā)展現(xiàn)狀, 提出了未來發(fā)展趨勢[133]。其中, 西北工業(yè)大學(xué)朱崎峰等[134]根據(jù)UG運動原理設(shè)計了一種仿海龜撲翼UG, 打破了傳統(tǒng)UG的外形設(shè)計。中國科學(xué)院自動化研究所的Wu等[135-137]先后為“海豚”UG提供了一種創(chuàng)新設(shè)計和水動力分析, 其運動原理參照UG進行設(shè)計。針對傳統(tǒng)UG機動性較弱問題, 馬崢等[138]通過引入仿生推進設(shè)計技術(shù), 借助水平翼運動增加UG的前進速度, 該研究也為未來仿生UG的研制提供技術(shù)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

現(xiàn)有仿生UG的功能特性仍然與真實生物存在很大差距, 但隨著仿生結(jié)構(gòu)、仿生材料、仿生控制、仿生能量和生物信息智能感知等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展, 在融合仿生技術(shù)和人工智能技術(shù)的基礎(chǔ)上, UG預(yù)計能夠智能自主或協(xié)作完成各種復(fù)雜任務(wù)。

7.3 智能化UG技術(shù)

隨著大數(shù)據(jù)分析、深度學(xué)習(xí)與人工智能等技術(shù)的發(fā)展, UG正向“智能一代”躍進, 因此, 智能化研發(fā)已經(jīng)成為當(dāng)前UG研發(fā)的必然趨勢。人工智能技術(shù)必將成為UG等海洋高端裝備為載體的未來海洋觀測與探測系統(tǒng)的大腦[139]。美國是智能化海洋觀測與探測技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者, 歐洲也非常重視智能化海洋觀測與探測技術(shù)的發(fā)展, 并著力推進以UG為載體的海洋觀測與探測技術(shù)的發(fā)展。伴隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展, 我國海軍也越發(fā)注重人工智能的創(chuàng)新和應(yīng)用, 并于2017年發(fā)布了裝備預(yù)研創(chuàng)新項目指南, 其中人工智能技術(shù)成為重點。

隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的進步, 人工智能最近幾年在智能感知識別領(lǐng)域取得了突破性的進展[140-141]。由于海洋環(huán)境的特殊性, 決定了UG面臨著嚴(yán)峻的功耗、通信能力和計算能力的限制。因此, 發(fā)展UG人工智能技術(shù), 可實現(xiàn)基于海洋環(huán)境場數(shù)據(jù)及UG自身的數(shù)據(jù), 結(jié)合新興發(fā)展的人工智能先進理論, 實現(xiàn)UG對海洋環(huán)境的準(zhǔn)實時智能感知; 并在此基礎(chǔ)上結(jié)合流體力學(xué)和機構(gòu)學(xué)理論, 優(yōu)化UG結(jié)構(gòu)、性能及各種控制參量, 以增強其完成各種復(fù)雜海洋環(huán)境的探測和自主選擇運行策略能力, 實現(xiàn)UG對海洋突發(fā)情況的應(yīng)急處理和智能調(diào)節(jié), 從而達到UG自主、安全、低能耗運行的目的。

綜上所述, 著眼于人工智能技術(shù)和UG的發(fā)展, UG智能化發(fā)展趨勢應(yīng)是利用仿生、傳感器、通信、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段, 自動感知和獲取自身指標(biāo)、海洋環(huán)境及網(wǎng)絡(luò)中其他觀測設(shè)備的信息和數(shù)據(jù), 并基于計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理分析技術(shù), 實現(xiàn)其智能化運行, 并具有實時監(jiān)測、分析成像以及智能管控等特征。

總之, UG系統(tǒng)在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用, 在諸多方面也已顯示了其重要的應(yīng)用價值。但由于海洋環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性, 決定了UG還面臨著功耗高、通信能力和計算能力相對較弱等技術(shù)瓶頸。因此, 研究具有低功耗、大計算控制、智能感知、目標(biāo)識別和協(xié)同組網(wǎng)觀測等技術(shù)的UG, 將具有非常廣闊的應(yīng)用前景。在這些方面, 可變翼技術(shù)、仿生技術(shù)和人工智能等技術(shù)有顯著的應(yīng)用需求, 并具有較大的發(fā)展空間。

8 結(jié)束語

UG平臺系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)仍在高速發(fā)展中, 而為了滿足我國海洋經(jīng)濟發(fā)展、災(zāi)害預(yù)防、海洋科學(xué)與國防科技等各類需求, 還需要進一步的研究UG平臺及其協(xié)作組網(wǎng)觀測技術(shù)。文中對現(xiàn)有UG單機核心技術(shù)、動力學(xué)與控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的歸納, 對UG編隊與協(xié)作觀測技術(shù)、數(shù)據(jù)格式與協(xié)議和適用于UG平臺的傳感器融合與集成技術(shù)應(yīng)用等方面重要進展的總結(jié), 及對未來UG技術(shù)發(fā)展方向的展望, 將有助于UG本體性能和應(yīng)用領(lǐng)域的進一步擴展。

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(責(zé)任編輯: 陳 曦)

Development of Underwater Gliders：An Overview and Prospect

SHEN Xin-rui1,2, WANG Yan-hui1,2*, YANG Shao-qiong1,2, LIANG Yan1,2, LI Hao-zhang1,2

(1. School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300350, China; 2. The Joint Laboratory of Ocean Observing and Detection, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266237, China)

As a kind of special autonomous undersea vehicle, the underwater glider(UG) dives along a saw-tooth trajectory by adjusting the buoyancy and maintains its gliding mode by making use of hydrodynamic force. It can realize continuous observation and detection in long range and large scale in the complex ocean environment. Therefore, UG plays an increasingly important role in the novel global ocean observation and detection systems. In this paper, the recent development status of underwater glider technology both at home and abroad is reviewed with emphases on the research progress of the single UG platforms and the corresponding core techniques. And the studies on UG’s dynamics and control are summarized. Moreover, according to the representative research achievements in the world, this paper gives an overview of the UG-networked observation technology, and elaborates the design, development and application of the compact low-power sensor used in UGs, as well as the development in data format and protocol of UG. In addition, development prospect of UG technology is presented concerning promotion of power consumption optimization, communication and intelligent level of UGs.

underwater glider(UG); networking observation technology; sensor design; data format and protocol; intellisense

TJ630; TP242

A

2096-3920(2018)02-0089-18

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.02.001

沈新蕊, 王延輝, 楊紹瓊, 等. 水下滑翔機技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2018, 26(2): 89-106.

2018-03-28;

2018-04-30.

國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0301100, 2017YFC0305902); 國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金(51722508)、面上項目(51475319); 山東省重點研發(fā)計劃(2016CYJS02A02); 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室問海計劃(ZR2016WH03)、主任基金(QNLM201705)和“鰲山人才”培養(yǎng)計劃(2017ASTCP-OS05, 2017ASTCP-OE01)等項目資助.

王延輝(1979-), 男, 博士, 教授, 主要研究方向為水下航行器研制及其海試應(yīng)用.