閆 敬,關(guān)新平,羅小元,楊 晛

(1.燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院,河北秦皇島 066004;2.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240;3.燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,河北秦皇島 066004)

1 引言

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì),海洋將成為人類生存與發(fā)展的新空間.為提升海洋探測能力,可在特定水域部署具有計(jì)算、通信和控制能力的水下計(jì)算單元和物理對(duì)象,以構(gòu)建具有維度廣、安全性高以及實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)的水下信息物理系統(tǒng).上述系統(tǒng)利用計(jì)算、通信和控制手段,可實(shí)現(xiàn)水下物理對(duì)象與信息網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同融合,對(duì)推動(dòng)水下機(jī)器人、水下搜救與抓取、水下傳感器網(wǎng)絡(luò)、水聲通信、水下預(yù)警與監(jiān)控等領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的升級(jí)換代和跨越式發(fā)展意義重大.

2 水下信息物理系統(tǒng)

在水下信息物理系統(tǒng)中,聲吶傳感器與潛器(例如:水下滑翔機(jī)以及自主水下機(jī)器人)等物理對(duì)象通過水聲無線通信方式構(gòu)成一個(gè)多跳自組織異構(gòu)探測網(wǎng)絡(luò).與靜態(tài)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]相比,上述探測網(wǎng)絡(luò)引入了潛器,通過異構(gòu)節(jié)點(diǎn)的通信組網(wǎng)與反饋協(xié)同,提升了探測網(wǎng)絡(luò)的靈活性與適變性;與動(dòng)態(tài)多潛器網(wǎng)絡(luò)[2]相比,聲吶傳感器的引入增強(qiáng)了探測網(wǎng)絡(luò)時(shí)空覆蓋能力,提升了水下探測的快速性與持續(xù)性.由此可見,水下信息物理系統(tǒng)集水下泛在探測、適變通信和協(xié)同控制等功能于一體,具有終端異構(gòu)化、結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)化和功能靈活化等突出優(yōu)點(diǎn),是實(shí)現(xiàn)水下信息物理系統(tǒng)智能化與互聯(lián)化的關(guān)鍵.

2.1 水下探測-通信-控制一體化設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的水下探測、通信與控制系統(tǒng)通常是相互獨(dú)立的.具體來說,探測系統(tǒng)主要關(guān)注如何利用水聽器、多輸入多輸出探測聲吶來接收目標(biāo)輻射噪聲與信息,同時(shí)結(jié)合信號(hào)處理手段,以提取目標(biāo)特征、方位和距離等信息;通信系統(tǒng)主要關(guān)注如何針對(duì)水聲窄帶寬、多徑、頻率選擇性衰減以及高噪聲等信道特點(diǎn),采取高性能、可實(shí)現(xiàn)的組網(wǎng)通信協(xié)議,以將信息從源點(diǎn)傳輸?shù)浇K端;控制系統(tǒng)主要關(guān)注如何根據(jù)已獲取的導(dǎo)航信息,設(shè)計(jì)比例-積分-微分、預(yù)測、滑模、自適應(yīng)以及多種智能控制器,以驅(qū)動(dòng)潛器實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、縱傾、回轉(zhuǎn)、升降和橫移等運(yùn)動(dòng).可以看出,探測與通信系統(tǒng)功能上具有重疊性,如果探測與通信系統(tǒng)互不關(guān)注對(duì)方收到的數(shù)據(jù),那么探測與通信系統(tǒng)在頻譜資源、能耗上將互相競爭.同時(shí),控制系統(tǒng)通常假設(shè)探測與通信是完美實(shí)現(xiàn)的,即假設(shè)傳感器與潛器等節(jié)點(diǎn)的反饋信息是可靠獲取且實(shí)時(shí)傳輸?shù)?然而水下復(fù)雜環(huán)境使得上述假設(shè)很難保證.綜上可知,探測、通信、控制的分離設(shè)計(jì),一方面使控制指令易產(chǎn)生信息不完整約束,另一方面探測與通信又缺少有效的反饋機(jī)制,嚴(yán)重制約了水下信息物理系統(tǒng)整體性能的提升.因此,為實(shí)現(xiàn)水下信息物理系統(tǒng)探測-通信-控制一體化設(shè)計(jì),有必要建立水下探測、通信、控制聯(lián)合設(shè)計(jì)架構(gòu).

圖1是一典型的水下信息物理系統(tǒng)探測、通信、控制聯(lián)合設(shè)計(jì)架構(gòu)[3],其主要目的是對(duì)特定水域內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)探測、定位、跟蹤和圍捕.在此系統(tǒng)中,傳感器負(fù)責(zé)探測、采集和預(yù)測覆蓋區(qū)域內(nèi)目標(biāo)位置、姿態(tài)與速度等信息,而潛器不僅可作為移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行通信轉(zhuǎn)發(fā),也可根據(jù)任務(wù)需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整姿態(tài)以達(dá)到組網(wǎng)靈活性的提升.同時(shí),水下傳感器與潛器以水聲通信與電磁波通信的形式,將收集到的水下目標(biāo)位置、姿態(tài)與速度等信息,通過水面浮標(biāo)與空中衛(wèi)星上傳到岸基控制中心.岸基中心融合目標(biāo)態(tài)勢,并根據(jù)探測與通信的需要形成調(diào)度控制環(huán),進(jìn)而將控制指令回傳給傳感器與潛器,實(shí)現(xiàn)水下信息物理系統(tǒng)探測、通信與控制性能聯(lián)合提升.

圖1 水下信息物理系統(tǒng)探測、通信、控制聯(lián)合設(shè)計(jì)架構(gòu)Fig.1 Co-design framework of detection,communication and control for underwater cyber physical system

2.2 探測-通信-控制一體化面臨的挑戰(zhàn)

2.2.1 水下環(huán)境開放性使得一體化架構(gòu)建立難

水下環(huán)境的開放性,使得很難建立固定的通信基礎(chǔ)設(shè)施.因此,為了滿足水下不同監(jiān)測需求,需要部署分布在不同物理空間的異構(gòu)終端[4],包括主/被動(dòng)聲納、前視和側(cè)掃聲納、聲學(xué)路徑垂直陣、測深儀、聲速剖面儀、岸基浮標(biāo)、水面監(jiān)控平臺(tái)等探測感知終端.需要指出,水面監(jiān)控平臺(tái)可通過衛(wèi)星通信、短波、北斗等多種寬窄帶通信方式,以實(shí)現(xiàn)常規(guī)海況下的寬帶接入與惡劣海況下的窄帶接入;水面浮標(biāo),可通過水聲通信方式與水下探測設(shè)備窄帶接入,也可通過寬帶接入的方式與水面監(jiān)控平臺(tái)通信;水下設(shè)備主要通過水聲組網(wǎng)通信方式與水面浮標(biāo)以及水下其它設(shè)備窄帶接入.上述終端全向/定向通信并存、使用頻段種類多、服務(wù)優(yōu)先級(jí)不同,導(dǎo)致不同接入技術(shù)差異性大且不可兼容,使得建立具有自組織泛在能力的水下探測-通信-控制一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)非常困難.此外,水下信息物理系統(tǒng)寬帶受限、通信時(shí)延大、能量有限等弱通信特性,以及水下潮汐洋流等不確定環(huán)境條件,又加劇了水下信息物理系統(tǒng)探測-通信-控制一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)建立的難度.

2.2.2 聲吶資源受限下探測通信一體化實(shí)現(xiàn)難

探測通信一體化設(shè)計(jì),不僅可以克服傳統(tǒng)分離設(shè)計(jì)帶來的資源互相競爭、效能低下的不足,而且可以通過共享射頻資源與天線孔徑,提升頻譜利用率、降低設(shè)備間電磁干擾、增強(qiáng)隱蔽性.需要指出的是,探測通信一體化技術(shù)最早應(yīng)用于雷達(dá)[5],其主要采用分時(shí)、分頻或者分波束的方式進(jìn)行功能集成,并依靠電磁波進(jìn)行探測通信,具有傳播速率高(≈3×108m/s)、孔徑大、可用頻帶寬(3 MHz～300 GHz)等特點(diǎn).然而,電磁波在水中呈指數(shù)規(guī)律衰減,使得基于雷達(dá)的探測通信一體化技術(shù)并不能直接應(yīng)用于水下.目前,聲吶仍然是水下遠(yuǎn)距離探測通信的唯一有效手段.相比于雷達(dá)信號(hào),聲吶信號(hào)傳播速率低(≈1500 m/s)、孔徑小、可用帶寬窄(3 Hz～97 kHz)、多徑效應(yīng)明顯[6].聲吶上述資源受限約束一方面導(dǎo)致水下通信信號(hào)易出現(xiàn)線性與非線性失真、相位抖動(dòng)、頻率偏移,另一方面使得水下探測與通信帶外干擾嚴(yán)重且互相抑制、增加了共享信號(hào)設(shè)計(jì)難度.如何克服聲吶資源受限約束,成為水下探測通信一體化設(shè)計(jì)面臨的一大挑戰(zhàn).

2.2.3 水聲弱通信特性導(dǎo)致組網(wǎng)傳輸穩(wěn)健性弱

水下探測-通信-控制一體化設(shè)計(jì)的核心基礎(chǔ)是構(gòu)建具有自組織、泛在、強(qiáng)實(shí)時(shí)、高可靠性的異構(gòu)探測網(wǎng)絡(luò),通過探測感知、信息共享與協(xié)同控制,最大限度把信息優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為決策優(yōu)勢,以實(shí)現(xiàn)水下信息物理系統(tǒng)整體性能的提升.上述過程離不開聲吶傳感器與潛器等物理對(duì)象的組網(wǎng)傳輸,然而水聲具有弱通信特性[7],例如:1)電磁波在水中呈指數(shù)規(guī)律衰減,使得北斗等定位系統(tǒng)并不能直接應(yīng)用于水下,且受高噪聲以及多徑干擾等不穩(wěn)定因素影響,水下節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘同步難以精確實(shí)現(xiàn);2)水中不均勻分布的聲速剖面造成聲線彎曲;3)水聲通信主要通過發(fā)送器和水聽器實(shí)現(xiàn)信息收發(fā),傳播時(shí)延大且消耗的能量遠(yuǎn)高于無線電波通信.水聲上述弱通信特性,導(dǎo)致陸地環(huán)境下的組網(wǎng)傳輸協(xié)議并不適用于水下.此外,水下節(jié)點(diǎn)所處的水體,在外力和自身環(huán)境參數(shù)變化等因素影響下會(huì)不斷地流動(dòng),形成快時(shí)變的水下流速場,增加了組網(wǎng)傳輸?shù)牟淮_定性與脆弱性,進(jìn)而對(duì)水下信息物理系統(tǒng)探測感知與控制指令的實(shí)時(shí)共享與可靠反饋提出了新的挑戰(zhàn).

2.2.4 復(fù)雜水下環(huán)境易使控制與反饋信息不完整

在水下信息物理系統(tǒng)探測-通信-控制一體化設(shè)計(jì)過程中,探測-通信系統(tǒng)為控制系統(tǒng)提供必要的信息支撐,而控制系統(tǒng)又可通過潛器等移動(dòng)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)促進(jìn)探測-通信性能的反饋提升.具體來說,潛器等移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過自身攜帶的水聲通信模塊動(dòng)態(tài)協(xié)同鄰域內(nèi)節(jié)點(diǎn),進(jìn)而通過航跡規(guī)劃、追蹤以及編隊(duì)控制形式實(shí)現(xiàn)水下探測與通信性能的反饋提升.為此,如何在探測-通信-控制一體化框架下設(shè)計(jì)潛器反饋控制律顯得尤為重要.目前,學(xué)者們提出了很多適合陸地環(huán)境的移動(dòng)機(jī)器人反饋控制律[8],其通常忽略機(jī)器人與物理環(huán)境間的耦合關(guān)系.然而,受水聲弱通信、水流、復(fù)雜水底地貌、水中懸浮物等外部因素,以及潛器動(dòng)力學(xué)模型強(qiáng)非線性、高耦合度等內(nèi)部因素影響,潛器與水下物理環(huán)境間的交互耦合異常緊密.水下物理環(huán)境局部攝動(dòng)、通信時(shí)延、鏈路失效、噪聲干擾等不確定性因素均會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)直接或者間接地波及到潛器控制單元,甚至導(dǎo)致整個(gè)反饋控制律的失效.因此,在設(shè)計(jì)潛器反饋控制律時(shí),不僅要考慮潛器控制性能的優(yōu)化,而且還需要聯(lián)合考慮探測-通信性能的優(yōu)化.然而,受限于目前探測、通信技術(shù)以及系統(tǒng)建模水平,許多關(guān)鍵的狀態(tài)在水下復(fù)雜環(huán)境中無法實(shí)時(shí)反饋,一些重要的參數(shù)難以準(zhǔn)確測量,導(dǎo)致水下控制與反饋信息不能完整匹配.如何克服復(fù)雜水下環(huán)境中控制與反饋信息不完整限制,成為反饋提升探測與通信性能面臨的一大難題.

3 水下探測-通信-控制一體化研究進(jìn)展

水下探測-通信-控制一體化研究,主要內(nèi)容涉及水下立體探測、通信組網(wǎng)與協(xié)同控制,其相互依賴與制約的關(guān)系如圖2所示.基于此關(guān)系,從如下3個(gè)方面進(jìn)行綜述:1)水下探測通信一體化;2)弱通信條件下定位組網(wǎng);3)復(fù)雜水下環(huán)境中潛器協(xié)同控制.

圖2 水下信息物理系統(tǒng)探測、通信、控制內(nèi)部關(guān)聯(lián)Fig.2 Internal relationship of detection,communication and control in underwater cyber physical system

3.1 水下探測通信一體化

水下被動(dòng)與主動(dòng)探測是最常見的兩種探測方式,其中被動(dòng)探測主要利用水聽器與聲吶陣列被動(dòng)接收目標(biāo)的輻射噪聲[9],例如:潛艇與水體摩擦產(chǎn)生的水流噪聲以及潛器自身機(jī)械噪聲等,進(jìn)而結(jié)合波束形成、方位估計(jì)等信號(hào)處理方式提取目標(biāo)特征、方位、深度以及距離等信息.與此不同,主動(dòng)探測技術(shù)通過發(fā)射聲波以及接收目標(biāo)反射回波方式進(jìn)行探測,其發(fā)展形成了以低頻大功率探測[10]、雙/多基地探測[11]、前向散射探測[12]和多輸入多輸出(multiple input multiple output,MIMO)[13-14]為主要分支的技術(shù)脈絡(luò).盡管如此,現(xiàn)有的水下被動(dòng)或主動(dòng)探測系統(tǒng)多假設(shè)其與水下通信系統(tǒng)是兩個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng),并沒有考慮兩者間功能上的重疊性與資源上的競爭性.

為了實(shí)現(xiàn)探測通信系統(tǒng)的集成化與智能化,Mealey于上個(gè)世紀(jì)60年代首次提出利用雷達(dá)脈沖對(duì)通信信號(hào)進(jìn)行調(diào)制的思想[5].受此啟發(fā),學(xué)者們從不同角度提出了多種信號(hào)處理機(jī)制,例如:分時(shí)機(jī)制[15]、分頻機(jī)制[16]、分波束機(jī)制[17]以及全共享機(jī)制[18].具體來說,分時(shí)機(jī)制將時(shí)間劃分為多個(gè)時(shí)隙,進(jìn)而利用轉(zhuǎn)換開關(guān)在不同時(shí)隙發(fā)送探測或者通信信號(hào),其中同一時(shí)隙不能同時(shí)發(fā)送探測與通信信號(hào);分頻機(jī)制在不同頻段分別實(shí)現(xiàn)探測與通信功能;分波束機(jī)制將相控陣?yán)走_(dá)的陣面劃分為不同的區(qū)域與波束,進(jìn)而利用不同波束實(shí)現(xiàn)探測與通信;全共享機(jī)制將探測與通信信號(hào)共享到同一發(fā)射波,使探測與通信同時(shí)同頻運(yùn)行.上述四種信號(hào)處理機(jī)制的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示.考慮到雷達(dá)具有高帶寬、大孔徑以及快傳播速度特點(diǎn),現(xiàn)有雷達(dá)探測通信一體化系統(tǒng)常采用分時(shí)、分頻或分波束機(jī)制.然而,水下聲吶系統(tǒng)可用帶寬窄、孔徑小、聲波傳播速率低,相比較而言水下聲吶系統(tǒng)更適合采用全共享機(jī)制.

表1 雷達(dá)通信一體化常用機(jī)制優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 Advantagesanddisadvantagesofcommon mechanisms for integrated radar and communication

目前,學(xué)者們對(duì)全共享機(jī)制下聲吶探測通信一體化進(jìn)行了初步研究,并從不同角度設(shè)計(jì)了多種類型的共享波形.這些共享波形主要分為探測與通信信號(hào)疊加下的共享波形、基于探測信號(hào)的共享波形以及基于通信信號(hào)的共享波形.其中,探測與通信信號(hào)疊加下的共享波形采用相互正交的波形分別執(zhí)行探測與通信任務(wù)[19],其優(yōu)點(diǎn)是可以獨(dú)立設(shè)計(jì)波形,但是信號(hào)間互干擾嚴(yán)重、接收端信號(hào)分離困難.基于探測信號(hào)的共享波形將通信信息調(diào)制到探測信號(hào)上[20],保證了探測性能,但是其通信方向受探測波束方向性影響較大,不利于組網(wǎng)傳輸.基于通信信號(hào)的共享波形將探測信息調(diào)制到通信信號(hào)上[21],保證了通信性能,但是其聲源級(jí)低特點(diǎn)限制了探測性能的提升,盡管如此,水下信息物理系統(tǒng)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)多節(jié)點(diǎn)協(xié)同特點(diǎn)可彌補(bǔ)此不足.為更清晰表示上述結(jié)論,圖3描述了基于通信信號(hào)的水下共享波形設(shè)計(jì)模式,主要包括:1)利用自身通信信號(hào)進(jìn)行主動(dòng)目標(biāo)探測,即利用自身發(fā)射通信信號(hào)分別完成探測與傳輸;2)在通信同時(shí)被動(dòng)目標(biāo)探測;3)利用其他節(jié)點(diǎn)通信信號(hào)進(jìn)行探測,即利用其他節(jié)點(diǎn)發(fā)射的通信信號(hào)作為探測照射源實(shí)現(xiàn)探測與通信功能一體化.

圖3 基于通信信號(hào)的水下共享波形設(shè)計(jì)模式Fig.3 Design models for underwater shared waveform with the assistance of communication signal

除此之外,自干擾抑制以及回波信號(hào)處理是水下全共享機(jī)制另外兩個(gè)必須考慮的問題.對(duì)于雷達(dá)系統(tǒng)[22],一般采用聲學(xué)隔離、聲學(xué)抑制、模擬域發(fā)射泄漏抑制、數(shù)字域發(fā)射泄漏抑制的方式進(jìn)行自干擾抑制,以提高有效信號(hào)信噪比.同時(shí),采用匹配濾波、信號(hào)分段以及估計(jì)融合等方式,對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)與信息提取,以確保系統(tǒng)的探測與通信性能.上述工作為聲吶系統(tǒng)全共享機(jī)制的設(shè)計(jì)奠定了良好基礎(chǔ),但是水下聲吶孔徑與可用頻帶受限,使得上述基于雷達(dá)的全共享機(jī)制并不能直接應(yīng)用于水下.因此,水下聲吶探測通信一體化研究不能簡單照搬陸地雷達(dá)探測通信一體化相關(guān)技術(shù),而應(yīng)該綜合考慮聲吶資源受限約束,同時(shí)結(jié)合水聲低速傳輸、強(qiáng)多徑等信道特點(diǎn),設(shè)計(jì)與其相適應(yīng)的全共享機(jī)制.

3.2 弱通信條件下定位組網(wǎng)

定位組網(wǎng)是水下探測-通信-控制一體化設(shè)計(jì)的中間環(huán)節(jié),其目的是確定水下目標(biāo)以及節(jié)點(diǎn)(例如:傳感器與潛器)的位置信息,進(jìn)而通過水聲通信協(xié)議設(shè)計(jì)的方式實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健組網(wǎng),上述過程對(duì)確保水下探測信息的可靠傳輸與控制信息的有效反饋至關(guān)重要.

現(xiàn)有定位技術(shù)大致可分為兩類:距離相關(guān)技術(shù);距離無關(guān)技術(shù).前者主要利用主/被動(dòng)聲吶、前視/側(cè)掃聲吶、測深儀等探測設(shè)備進(jìn)行定位,其定位精度高、受制因素少,是目前普遍采用的定位技術(shù).一些學(xué)者已經(jīng)對(duì)距離相關(guān)定位技術(shù)進(jìn)行了研究,并從不同角度出發(fā)開發(fā)了協(xié)同定位算法.這些算法大多利用信號(hào)到達(dá)時(shí)間差(TDOA)、信號(hào)到達(dá)時(shí)間(TOA)、信號(hào)飛行時(shí)間(TOF)、以及信號(hào)到達(dá)角度(AOA)進(jìn)行距離測量.例如,Liu等人[23]基于TDOA設(shè)計(jì)了多潛器協(xié)作的定位算法,實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)潛器群的精確定位.Zhou等人[24]為減小網(wǎng)絡(luò)通信能耗,考慮水下潛器與傳感器位置的時(shí)空相關(guān)性,提出了基于移動(dòng)預(yù)測與TOA的協(xié)同定位算法.Luo等人[25]對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的被動(dòng)移動(dòng)進(jìn)行分析,提出了混合網(wǎng)絡(luò)下協(xié)同定位算法.上述定位算法假設(shè)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘是同步且聲線是直線傳播的,但是受水聲弱通信特性影響,節(jié)點(diǎn)間時(shí)鐘很難達(dá)到精確同步且聲線是彎曲傳輸?shù)?具體來說,水下異步時(shí)鐘與聲線彎曲模型可表示為[26-27]

其中:T表示節(jié)點(diǎn)本地時(shí)鐘;t表示真實(shí)時(shí)鐘;α與β分別表示節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘漂移與偏移;C(z)表示深度為z時(shí)節(jié)點(diǎn)的水聲傳輸速度;表示與水下環(huán)境相關(guān)的聲速剖面陡度;b表示水面聲速.

基于上述時(shí)鐘與聲線模型,文獻(xiàn)[28]通過錨節(jié)點(diǎn)信息交互提出了多階段請(qǐng)求式異步定位算法,該算法能夠消除節(jié)點(diǎn)間時(shí)鐘偏移以及聲線彎曲的影響,但是存在定位延遲長、算法復(fù)雜度高的不足.為此,Mortazavi等人[29]對(duì)時(shí)鐘同步與定位聯(lián)合求解,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行聲線補(bǔ)償.為進(jìn)一步減少通信能耗,文獻(xiàn)[30]設(shè)計(jì)了一種基于移動(dòng)預(yù)測的異步定位協(xié)議,文獻(xiàn)[31]提出了基于無跡卡爾曼濾波的水下異步定位算法.但是,上述文獻(xiàn)在定位估計(jì)問題求解過程中,需對(duì)非線性測量方程進(jìn)行近似線性化處理,這種近似線性化求解易引入模型誤差,使其定位精度降低.為克服上述不足,文獻(xiàn)[32]提出了基于無跡變換和最小二乘法的定位策略,然而最小二乘法易使定位陷入局部最優(yōu)解.為尋求全局最優(yōu)解,一些學(xué)者嘗試?yán)猛箖?yōu)化的方法對(duì)定位估計(jì)問題求解.盡管如此,水聲弱通信約束使得水下非凸問題轉(zhuǎn)化非常復(fù)雜甚至無解,因此傳統(tǒng)基于凸優(yōu)化策略的定位思路并不適用于求水下這類具有復(fù)雜約束的定位問題.為規(guī)避凸優(yōu)化轉(zhuǎn)化過程,一些學(xué)者嘗試將迭代學(xué)習(xí)應(yīng)用于定位過程,例如文獻(xiàn)[33]提出了基于增強(qiáng)學(xué)習(xí)的新型定位優(yōu)化估計(jì)策略,采用值迭代的方法對(duì)增量進(jìn)行更新,以快速收斂位置估計(jì)的全局最優(yōu)解.進(jìn)一步,文獻(xiàn)[34]分別設(shè)計(jì)了基于監(jiān)督學(xué)習(xí)、無監(jiān)督學(xué)習(xí)與半監(jiān)督學(xué)習(xí)(見圖4)的水下目標(biāo)定位算法,并給出了算法全局收斂的穩(wěn)定性條件,確保了收斂速度穩(wěn)定、提升了位置估計(jì)準(zhǔn)確性.

圖4 基于半監(jiān)督學(xué)習(xí)的水下定位估計(jì)器框架Fig.4 Architecture of the semisupervised learningbased underwater localization estimator

在水下定位過程中,水體受外力和自身環(huán)境參數(shù)變化等因素影響會(huì)不斷地流動(dòng),形成快時(shí)變的水下流速場.水下流速場的存在增加了定位的不確定性、限制了異構(gòu)節(jié)點(diǎn)間協(xié)同能力的提升.現(xiàn)有文獻(xiàn)主要聚焦于如何通過設(shè)計(jì)定位估計(jì)器來確保定位精度,很少考慮水流等物理場對(duì)定位性能的影響.為此,Kim[35]將水流估計(jì)融入到水下定位協(xié)議中,提出了基于多潛器協(xié)同的水下流速場與定位聯(lián)合估計(jì)算法.此外,文獻(xiàn)[36]提出了基于拓?fù)淝袚Q機(jī)制的水流估計(jì)與潛器定位算法,文獻(xiàn)[37]設(shè)計(jì)了基于觀測器的定位與水流聯(lián)合估計(jì)算法.然而,上述文獻(xiàn)在定位與流速場聯(lián)合估計(jì)過程中并沒有考慮異步時(shí)鐘、聲線彎曲等弱通信特性.為彌補(bǔ)上述不足,文獻(xiàn)[38]設(shè)計(jì)了如圖5所示的異步定位協(xié)議,進(jìn)而提出了異步時(shí)鐘與聲線彎曲下聯(lián)合定位與流速場估計(jì)新方法,實(shí)現(xiàn)了弱通信約束下定位與流速場聯(lián)合估計(jì)、克服了流速場對(duì)定位帶來的不確定性.

圖5 水下異步定位協(xié)議Fig.5 Underwater asynchronous localization protocol

基于已獲取的節(jié)點(diǎn)位置信息,如何確保異構(gòu)節(jié)點(diǎn)間穩(wěn)健組網(wǎng)是通信層面另外一個(gè)亟需解決的問題.水下目標(biāo)的動(dòng)態(tài)特性,帶來了探測的不確定性,僅通過挖掘目標(biāo)的歷史數(shù)據(jù)來調(diào)度傳感器/潛器休眠-喚醒模式[39-40],并不能確保異構(gòu)節(jié)點(diǎn)間穩(wěn)健組網(wǎng).此外,水下通信環(huán)境復(fù)雜,且受海面、海底、物體的反射與聲速變化引起的折射以及多徑效應(yīng)等因素影響,水下節(jié)點(diǎn)感知與通信范圍具有時(shí)變特性,甚至出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)失效,影響網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞倪B通性,造成拓?fù)浞指罴熬植客負(fù)涫?而水下洋流造成節(jié)點(diǎn)不可避免的漂移,使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂袆?dòng)態(tài)特性.為確保信息的可靠傳輸,需要考慮網(wǎng)絡(luò)在動(dòng)態(tài)漂流條件下的拓?fù)渥兓?以實(shí)現(xiàn)拓?fù)溥B通性動(dòng)態(tài)保持.目前,一些學(xué)者已經(jīng)對(duì)水聲傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B通性進(jìn)行了研究.Gjanci等[41]構(gòu)建了基于水下傳感器/潛器協(xié)同的探測架構(gòu),設(shè)計(jì)了貪婪自適應(yīng)調(diào)度算法來增強(qiáng)水下網(wǎng)絡(luò)連通性.Pompili等人[42]對(duì)水下傳感器的三維移動(dòng)特性進(jìn)行研究提出了Bottom-grid算法,Akkaya等人[43]在該算法的基礎(chǔ)上提出自移動(dòng)算法,通過持續(xù)調(diào)整節(jié)點(diǎn)深度,進(jìn)一步減少相鄰節(jié)點(diǎn)的重復(fù)覆蓋,提高了探測水域的連通性和覆蓋率.此外,Ibrahim等人[44]將水下節(jié)點(diǎn)配置描述為整數(shù)線性規(guī)劃問題,并利用啟發(fā)式算法求解接近最優(yōu)的NPhard動(dòng)態(tài)優(yōu)化問題,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)連通性前提下覆蓋度的提高.然而,現(xiàn)有研究多以網(wǎng)絡(luò)的覆蓋度作為水下監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B通性動(dòng)態(tài)保持的度量,并沒有考慮拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)探測性能的影響,易導(dǎo)致連通性和覆蓋度的提高以對(duì)水下移動(dòng)目標(biāo)探測性能的降低為代價(jià).

此外,為降低組網(wǎng)過程中的通信能耗,學(xué)者們從路由以及MAC協(xié)議等角度出發(fā)設(shè)計(jì)了多種高能效水聲通信協(xié)議,例如,文獻(xiàn)[45]采用維諾圖和二分圖的方式降低通信能耗,文獻(xiàn)[46]將定位地圖融入到通信協(xié)議以確保通信中斷時(shí)拓?fù)溥B通性.為實(shí)現(xiàn)拓?fù)溥B通性與能量有效性的均衡,文獻(xiàn)[47]采用圖論中最優(yōu)剛性圖的方法來對(duì)水下能量均衡鏈路進(jìn)行優(yōu)化.具體來說,最優(yōu)剛性圖是通信復(fù)雜度最小的剛性圖,可在保持2連通(或3連通)同時(shí)減少網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間不必要的通信消耗.為此,文獻(xiàn)[47]將節(jié)點(diǎn)間的權(quán)值函數(shù)定義為節(jié)點(diǎn)之間的能量均衡函數(shù),即

式中:Ecos,j與Ecos,k分別為節(jié)點(diǎn)j與k傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包所需能量;Eres,j與Eres,k分別表示節(jié)點(diǎn)j與k儲(chǔ)存的剩余能量;Nj表示節(jié)點(diǎn)j的鄰居集合.上述公式意味著最優(yōu)剛性圖是拓?fù)渚S持在剛性架構(gòu)下能量均衡最優(yōu)的剛性圖.為此,依據(jù)三維空間中最優(yōu)剛性圖的剛度矩陣是一個(gè)行數(shù)為3n-6的行滿秩矩陣這一性質(zhì)(n為節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)),依照對(duì)應(yīng)邊的長度(即能量均衡鏈路長度大小)對(duì)剛度矩陣進(jìn)行排序重組,整理出其中行數(shù)為3n-6的行滿秩矩陣,即得出由邊長和最小的3n-6條邊所組成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的剛度矩陣.將上述剛度矩陣的3n-6行所表示的邊連接于對(duì)應(yīng)的水下節(jié)點(diǎn)之間即得通信鏈路的最優(yōu)剛性圖.根據(jù)鄰域規(guī)則,若每個(gè)節(jié)點(diǎn)(包括水下傳感器與潛器)都需與其鄰居進(jìn)行通信,則水下網(wǎng)絡(luò)通信鏈路較為復(fù)雜,如圖6左圖所示.圖6右圖就是通信拓?fù)渌鶎?duì)應(yīng)的最優(yōu)剛性圖,通過比較可知圖6右圖通信鏈路明顯減少,相對(duì)應(yīng)地其水下網(wǎng)絡(luò)能量均衡性能更優(yōu).

圖6 基于剛性圖的通信鏈路優(yōu)化Fig.6 Rigid graph-based communication link optimization

基于文獻(xiàn)[47]中的水下剛性拓?fù)鋬?yōu)化思想,文獻(xiàn)[48]將定位精度的一個(gè)重要指標(biāo)“克拉美羅下界(CRLB)”作為定位性能的衡量指標(biāo),設(shè)計(jì)水聲弱通信多約束條件下的剛性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的最優(yōu)部署方式,使得水下移動(dòng)目標(biāo)在異步時(shí)鐘、聲線彎曲及能量受限約束下達(dá)到最好的定位效果.上述結(jié)果對(duì)進(jìn)一步研究基于剛性拓?fù)涞乃路€(wěn)健組網(wǎng)策略意義重大.

3.3 復(fù)雜水下環(huán)境中潛器協(xié)同控制

受水流干擾等因素影響,水下傳感器對(duì)目標(biāo)探測誤差會(huì)不斷累積.因此,有必要面向探測與傳輸需要,增加部署少量可以自主移動(dòng)的潛器,一方面作為移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)向傳感器提供自定位參考,并根據(jù)探測的需要對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)、拓?fù)湫迯?fù)與組網(wǎng)協(xié)同;另一方面根據(jù)傳感器已探測到的目標(biāo)信息,通過自身攜帶的水聲通信模塊動(dòng)態(tài)協(xié)同鄰域內(nèi)的潛器,并組成特定的編隊(duì)圍捕隊(duì)形,以完成對(duì)水下移動(dòng)目標(biāo)的近距離、高精度、全方位自主探測.為完成上述任務(wù),潛器需根據(jù)探測信息進(jìn)行航跡調(diào)度,進(jìn)而根據(jù)已規(guī)劃航跡進(jìn)行多潛器協(xié)同控制.

針對(duì)潛器的航跡規(guī)劃問題,劉妹琴等人[49]對(duì)水下目標(biāo)追蹤研究進(jìn)行了梳理,并建設(shè)性地給出了潛器航跡規(guī)劃中需要考慮的因素.文獻(xiàn)[50]提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多潛器動(dòng)態(tài)航跡規(guī)劃算法,文獻(xiàn)[51]考慮水下障礙物環(huán)境提出了一種水下無碰撞航跡規(guī)劃策略.進(jìn)一步,文獻(xiàn)[52]采用粒子群優(yōu)化算法,利用質(zhì)心交互框架設(shè)計(jì)了多潛器協(xié)同路徑規(guī)劃算法.文獻(xiàn)[53]考慮水流與障礙物的影響,提出了一種基于速度集成向量的多潛器航跡規(guī)劃方法.基于此,文獻(xiàn)[54]將潛器能量有效性、水流與障礙物約束聯(lián)合考慮,提出了一種基于蟻群算法的潛器航跡規(guī)劃策略.此外,文獻(xiàn)[55]考慮海流對(duì)潛器的影響,提出了基于區(qū)間優(yōu)化的潛器最優(yōu)時(shí)間路徑規(guī)劃算法.同時(shí),文獻(xiàn)[56]基于自適應(yīng)差分進(jìn)化算法,提出了潛器能量最優(yōu)航跡規(guī)劃策略.在上述工作中,潛器的路徑長度被視為優(yōu)化指標(biāo),其目的是盡可能的設(shè)計(jì)一條路徑最短的軌跡,以確保潛器最短時(shí)間(或能量最小)達(dá)到目標(biāo)點(diǎn).然而,在水下移動(dòng)目標(biāo)探測過程中,僅僅考慮路徑長短并不能滿足感知與組網(wǎng)的要求,例如,為實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)探測過程中局部拓?fù)涞男迯?fù),潛器需要設(shè)計(jì)一條能聯(lián)合考慮能量有效性與覆蓋全面性的航跡.在陸地環(huán)境中,Mosto fi等人[57-58]將信道質(zhì)量融入到機(jī)器人航跡規(guī)劃過程中.基于此,文獻(xiàn)[59]聯(lián)合考慮水下通信與控制性能,提出了基于模型預(yù)測控制的多潛器路徑規(guī)劃算法.文獻(xiàn)[60]將通信與控制性能描述為環(huán)境收益函數(shù),設(shè)計(jì)了基于多目標(biāo)離散搜索的多潛器航跡規(guī)劃算法.然而,文獻(xiàn)[59-60]只是簡單地將通信性能映射為不同節(jié)點(diǎn)間的拓?fù)溥B通性,并沒有考慮水下信道質(zhì)量.為解決上述不足,文獻(xiàn)[61]首次從MAC層出發(fā),構(gòu)建了通信與控制性能一體化下的聯(lián)合優(yōu)化問題,提出了面向水下數(shù)據(jù)收集的潛器航跡規(guī)劃算法,實(shí)現(xiàn)了潛器通信能耗與巡航時(shí)間的均衡.此外,文獻(xiàn)[62]將通信與控制性能聯(lián)合優(yōu)化問題描述為Q學(xué)習(xí)過程,提出了基于Q學(xué)習(xí)的多潛器航跡規(guī)劃算法.上述算法對(duì)未來進(jìn)一步考慮多徑、陰影、干擾等復(fù)雜水聲通信條件下的潛器通信-控制聯(lián)合航跡優(yōu)化問題提供了借鑒.

隨著潛器航跡的確定,潛器能否達(dá)到所需要的位置將最終決定整個(gè)自主協(xié)作監(jiān)測過程的成敗.對(duì)于單潛器追蹤控制,文獻(xiàn)[63]基于模型預(yù)測方法提出了潛器追蹤控制器.進(jìn)一步,文獻(xiàn)[64]設(shè)計(jì)了基于反推法(backstepping)的追蹤控制器,以解決潛器軌跡規(guī)劃和跟蹤控制聯(lián)合優(yōu)化問題.上述控制器建立在潛器動(dòng)力學(xué)模型精確可知基礎(chǔ)上,然而與陸地機(jī)器人相比,潛器的動(dòng)力學(xué)模型呈現(xiàn)強(qiáng)非線性、高耦合度等特點(diǎn),且受水流、復(fù)雜水底地貌、水中懸浮物等外部因素影響,使得建立潛器精確的動(dòng)力學(xué)模型非常困難.針對(duì)模型不確定問題,比例-積分-微分(PID)控制器仍然是目前最簡單且常用的控制方法[65-66].該方法具有原理簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、使用方便、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn),但PID控制器參數(shù)選擇的好壞將直接影響控制器整體性能.針對(duì)模型不確定問題,文獻(xiàn)[67]采用時(shí)滯與積分滑模面來估計(jì)模型不確定與擾動(dòng).文獻(xiàn)[68]考慮模型參數(shù)不確定性、未知外界干擾和輸入飽和限制的影響,設(shè)計(jì)了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的欠驅(qū)動(dòng)水下機(jī)器人三維同步跟蹤和鎮(zhèn)定控制器.為提高收斂速度,文獻(xiàn)[69]提出了有限時(shí)間滑模追蹤控制器,并采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)不確定與擾動(dòng)項(xiàng).上述文獻(xiàn)都假設(shè)潛器速度可以通過多普勒速度儀(DVL)精確測量的,然而受水下環(huán)境干擾以及經(jīng)濟(jì)等因素影響,潛器的速度信息不可能一直能夠精確獲取.盡管文獻(xiàn)[70-71]考慮速度不可測約束,提出了基于觀測器的潛器追蹤控制器,但是其收斂速度過慢,即只能實(shí)現(xiàn)漸近收斂.為此,文獻(xiàn)[72]采用快速終端滑模速度觀測器來實(shí)現(xiàn)潛器速度信息有限時(shí)間觀測,采用自適應(yīng)方法估計(jì)模型不確定項(xiàng),進(jìn)而設(shè)計(jì)了基于自適應(yīng)非奇異快速終端滑模的追蹤控制器,實(shí)現(xiàn)了潛器有限時(shí)間內(nèi)速度估計(jì)與位置追蹤.同時(shí),文獻(xiàn)[73]采用自適應(yīng)非奇異快速終端滑?？刂苼韺?shí)現(xiàn)潛器輸入受限下的有限時(shí)間追蹤控制.

此外,受AlphaGo之父戴密斯提出的深度學(xué)習(xí)啟發(fā)[74],一些學(xué)者嘗試將增強(qiáng)學(xué)習(xí)等智能算法應(yīng)用到潛器追蹤控制中.例如,文獻(xiàn)[75]將水下目標(biāo)追蹤描述為馬爾科夫切換過程,提出了基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的潛器追蹤控制器.然而,上述潛器追蹤控制方法并沒有聯(lián)合考慮探測或者通信性能.為此,文獻(xiàn)[76]考慮水聲通信過程中的異步時(shí)鐘以及潛器模型不確定約束,設(shè)計(jì)了一種基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的潛器聯(lián)合定位與追蹤控制算法,對(duì)于潛器模型中的不確定參數(shù),使用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的多元概率配置法來減少獲取系統(tǒng)準(zhǔn)確均值所需的計(jì)算量,其中定位與追蹤控制耦合關(guān)系如圖7所示.此外,文獻(xiàn)[77]聯(lián)合考慮水下探測與追蹤控制性能,設(shè)計(jì)了基于改進(jìn)PID的潛器追蹤控制算法,其利用光學(xué)探測設(shè)備對(duì)海底目標(biāo)進(jìn)行探測.

圖7 潛器自定位與追蹤控制關(guān)系Fig.7 Relationship between self-localization and tracking control for underwater vehicle

作為單潛器追蹤控制系統(tǒng)的擴(kuò)展,多潛器編隊(duì)控制應(yīng)用廣泛,例如,不同任務(wù)(如拾取、運(yùn)輸和部署)下多潛器-機(jī)械臂系統(tǒng)的單獨(dú)和合作控制[78].一般來說,編隊(duì)協(xié)同控制可分為如下3種形式:基于行為的控制策略[79]、虛擬結(jié)構(gòu)策略[80]和領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者形成策略[81],其中領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者策略以其簡單性和可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)得到了眾多研究的廣泛重視.基于上述結(jié)構(gòu),學(xué)者們提出了多種潛器編隊(duì)控制器,然而現(xiàn)有研究通常忽略了水聲通信時(shí)延的影響.需要注意的是,水聲通信的低傳播速度,使得每傳輸1000 m大約需要0.67 s,水下節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘不易同步等原因引起傳輸沖突等問題,進(jìn)而導(dǎo)致丟包或重傳,加劇了通信時(shí)延;而水聲通信速度又隨水的鹽度、溫度的升降而升降,因此使得水聲網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)延呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn),而對(duì)于潛器控制系統(tǒng)而言,即使通信網(wǎng)絡(luò)中存在很小的時(shí)間延遲也會(huì)導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定.為此,文獻(xiàn)[82]考慮潛器編隊(duì)控制中的時(shí)變通信時(shí)延,將潛器1選擇為領(lǐng)航者,其目的是追蹤目標(biāo)點(diǎn)Xd.同時(shí),其余潛器與領(lǐng)航者保持期望的相對(duì)狀態(tài),進(jìn)而設(shè)計(jì)如下形式的編隊(duì)控制器:

式中:τi表示第i個(gè)潛器的控制輸入;N表示潛器的總個(gè)數(shù);aij表示潛器i與j之間的鄰接關(guān)系;ki與αi為待設(shè)的增益矩陣;ηi表示潛器i的姿態(tài),γi為潛器i與1之間理想的相對(duì)狀態(tài),進(jìn)而表示經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的水下慣性向量;bi表示潛器i與目標(biāo)點(diǎn)連通關(guān)系增益,其中b1＞0,對(duì)于跟隨者潛器bi=0;di(t)表示潛器i與水面浮標(biāo)之間的時(shí)變通信時(shí)延.

與此同時(shí),一些學(xué)者從其他角度提出了多種潛器編隊(duì)控制器,例如,不確定擾動(dòng)[83]以及執(zhí)行器飽和[84]等.上述編隊(duì)控制器大部分考慮全驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng),然而水下不確定因素可使?jié)撈饕粋?cè)推進(jìn)器失效,此外欠驅(qū)動(dòng)控制具有減輕潛器重量、提高總體推進(jìn)效率等優(yōu)點(diǎn).因此,大部分潛器更適合采取欠驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng).盡管如此,欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獨(dú)立控制輸入維數(shù)少于運(yùn)動(dòng)自由度,如何實(shí)現(xiàn)有限控制量控制更多自由度,是欠驅(qū)動(dòng)控制的關(guān)鍵與難點(diǎn).為此,Saber首次提出將欠驅(qū)動(dòng)下的歐拉-拉格朗日系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為級(jí)聯(lián)系統(tǒng)[85],進(jìn)而可采用傳統(tǒng)控制方法對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制[85].基于此,Lu等人[86]提出了欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的滑模控制,但是此方法的原始模型建立在機(jī)器人坐標(biāo)系下,而潛器欠驅(qū)動(dòng)發(fā)生在歐拉-拉格朗日方程各自由度的控制中,因此并不適用于欠驅(qū)動(dòng)潛器控制系統(tǒng).Ashra fiuon等人[87]利用雅克比矩陣轉(zhuǎn)將潛器坐標(biāo)系換成大地坐標(biāo)系,同時(shí)船體坐標(biāo)系下各自由度的欠驅(qū)動(dòng)被轉(zhuǎn)化成控制耦合關(guān)系,進(jìn)而建立了平面欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制算法,然而該方法對(duì)參考軌跡運(yùn)動(dòng)方程限制過強(qiáng),不適用于任意目標(biāo)軌跡的追蹤編隊(duì).此外,Lefeber提出將追蹤誤差動(dòng)力學(xué)方程轉(zhuǎn)化成兩個(gè)線性子系統(tǒng),進(jìn)而分別設(shè)計(jì)控制器[88].基于此,文獻(xiàn)[89]將艏向角及偏航角速度誤差系統(tǒng)定義為子系統(tǒng)2,其余誤差動(dòng)力學(xué)方程定義為子系統(tǒng)1,將偏航角速度誤差看作子系統(tǒng)1的時(shí)變擾動(dòng)信號(hào),進(jìn)一步采用直接Lyapunov法設(shè)計(jì)了欠驅(qū)動(dòng)水下機(jī)器人全局控制算法.然而,上述方法均假設(shè)期望軌跡的偏航角速度滿足持續(xù)激勵(lì)條件,也就是說,上述方法難以實(shí)現(xiàn)直線軌跡追蹤.針對(duì)這一問題,Wang等人[90]構(gòu)造輔助系統(tǒng),進(jìn)一步利用輔助系統(tǒng)構(gòu)造誤差動(dòng)力學(xué)方程,從而避免持續(xù)激勵(lì)假設(shè),Park等人[91]提出了速度不可測下的欠驅(qū)動(dòng)船體機(jī)器人的軌跡追蹤算法,其模型中慣性矩陣為非對(duì)角結(jié)構(gòu),且參數(shù)未知.上述研究工作為水聲弱通信條件下多潛器協(xié)同編隊(duì)控制奠定了良好的基礎(chǔ).

4 水下探測-通信-控制應(yīng)用

為最終實(shí)現(xiàn)水下立體探測、通信組網(wǎng)與協(xié)同控制,有必要搭建水下探測-通信-控制一體化平臺(tái).圖8是一個(gè)典型的水下信息物理系統(tǒng)探測-通信-控制一體化平臺(tái).目前,水下探測-通信-控制平臺(tái)搭建相關(guān)研究正處于起步階段,但是國內(nèi)外已經(jīng)開展的相關(guān)工作對(duì)未來一體化平臺(tái)搭建意義重大.

受美國海軍“水聲監(jiān)視系統(tǒng)”(SOSUS)啟發(fā),科學(xué)家在上世紀(jì)60年代就提出“建立水下探測網(wǎng)絡(luò)”的設(shè)想.進(jìn)入21世紀(jì),尤其是“911事件”后,美國、日本等國家加快了建設(shè)水下探測網(wǎng)絡(luò)的步伐.2005年,美國國防部斥資開展“近海水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)”(PLUSNET),使得基于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的探測系統(tǒng)在水下環(huán)境中應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)[92].2016年,美國國家基金委宣布,歷時(shí)10年、耗資3.86億美元的“大型海洋觀測計(jì)劃”(OOI)正式啟動(dòng)運(yùn)行[93].同年,美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局投資研發(fā)的分布式敏捷反潛系統(tǒng)完成了海試,其利用數(shù)十個(gè)無人潛航器組網(wǎng),首創(chuàng)自下而上探測模式,提升了探測精度,實(shí)驗(yàn)表明40個(gè)潛器組成的網(wǎng)絡(luò)可以探測近18萬平方千米的海域.2020年11月,麻省理工學(xué)院開發(fā)了一種水下反向散射定位系統(tǒng)[94],其通過反射調(diào)制的音頻信號(hào)生成二進(jìn)制脈沖,進(jìn)而計(jì)算往返時(shí)間以確定位置,實(shí)驗(yàn)表明其淺水區(qū)估計(jì)距離精度約50 cm.此外,日本2002年構(gòu)建了“新型實(shí)時(shí)海底探測網(wǎng)”(ARENA),并于2017年宣布將聯(lián)合美國、韓國以及我國臺(tái)灣籌建“太平洋海底觀測網(wǎng)”.歐盟在海洋科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目MAST-III的支持下,也相繼開展了一系列水下信息物理系統(tǒng)探測研究.例如,法國推出了Alister輕型水下潛器,長度為1.7～2.5 m、重量為50～90公斤,可有效探測及識(shí)別水雷,搭載有合成孔徑雷達(dá),比普通聲吶探測效果高5～10倍.上述重大項(xiàng)目的開展與相關(guān)計(jì)劃的制定,推動(dòng)了水下信息物理系統(tǒng)探測-通信-控制應(yīng)用的落地,成為各國/地區(qū)技術(shù)競爭的制高點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)布局的焦點(diǎn).

我國擁有300萬平方公里管轄海域、1.8萬公里海岸線,深耕與經(jīng)略這片藍(lán)色國土,必須以強(qiáng)大的海洋探測能力作為技術(shù)支撐.與國外研究相比,我國水下信息物理系統(tǒng)探測-通信-控制應(yīng)用研究起步較晚,但發(fā)展迅猛.國內(nèi)眾多研究所與高校,也開展了水下探測-通信-控制相關(guān)的應(yīng)用研究,并取得了一定的成果.2009年,同濟(jì)大學(xué)聯(lián)合相關(guān)單元建成“小衢山海底觀測實(shí)驗(yàn)站”[95],成為我國首個(gè)海底綜合觀測試驗(yàn)與示范系統(tǒng).2013年,中科院南海海洋研究所、沈陽自動(dòng)化研究所、聲學(xué)研究所共同建設(shè)的“三亞海底觀測示范系統(tǒng)”投入運(yùn)行[96].哈爾濱工程大學(xué)完成的“深海高精度水聲綜合定位技術(shù)”入選2017年度“中國高等學(xué)校十大科技進(jìn)展”.2020年6月,中科院沈陽自動(dòng)化研究所研制的“海斗一號(hào)”潛航器完成了10907 m下潛深度,刷新了我國潛水器下潛深度及作業(yè)深度的記錄.國內(nèi)這些已開展并取得的研究成果,給水下信息物理系統(tǒng)探測-通信-控制一體化應(yīng)用研究奠定了良好的基礎(chǔ).

5 思考與展望

“向海則興,背海則衰”,大力發(fā)展海洋事業(yè)已成為全世界的廣泛共識(shí).隨著海洋裝備制造、傳感器、信息處理和人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展,水下信息物理系統(tǒng)正朝著無人化、集成化與智能化的方向快速發(fā)展.可以預(yù)見,通過探測、通信與控制的一體化設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)水下各種資源的共享與協(xié)同優(yōu)化將成為水下信息物理系統(tǒng)的一個(gè)重要研究方向,也將成為未來水下綜合電子信息系統(tǒng)發(fā)展的趨勢.

本文最后列出水下信息物理系統(tǒng)探測-通信-控制一體化設(shè)計(jì)過程中,一些重要但尚需解決的問題以及未來值得深入探究的研究方向.

1)在探測層面,各類探測感知設(shè)備各有優(yōu)缺點(diǎn),只用某個(gè)單一設(shè)備并不能長時(shí)間、高可靠地確保水下探測任務(wù)的實(shí)現(xiàn)[97].因此,要實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)全天候、全方位的實(shí)時(shí)探測,需要部署多平臺(tái),獲得多維度、多層次、互補(bǔ)型的動(dòng)態(tài)多源數(shù)據(jù),對(duì)其進(jìn)行高效融合處理,協(xié)同完成探測任務(wù).然而,水下環(huán)境的快時(shí)變和移動(dòng)目標(biāo)的高機(jī)動(dòng),使得多平臺(tái)與移動(dòng)目標(biāo)的信息具有多尺度(時(shí)間、空間等)、多粒度、高動(dòng)態(tài)、高沖突等特點(diǎn).同時(shí),水聲信道的窄帶寬、強(qiáng)多徑干擾使得3～5 km距離的典型數(shù)據(jù)傳輸率只有6～7 kb/s,致使信息傳輸易發(fā)生數(shù)據(jù)丟失或污染,且聲波傳播的慢速率造成的傳輸秒級(jí)長時(shí)延及時(shí)延抖動(dòng),引發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)空失配和錯(cuò)序.陸地環(huán)境下,苑晶等人[98]基于雷達(dá)與視覺進(jìn)行多源信息融合以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人目標(biāo)探索跟蹤.考慮水下復(fù)雜環(huán)境與目標(biāo)機(jī)動(dòng)性等約束,如何對(duì)動(dòng)態(tài)多源探測信息進(jìn)行高效融合以組建水下信息物理系統(tǒng)探測-通信-控制一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)尚未得到充分解決.

2)在通信層面,水下靜態(tài)與動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)通過聲通信確定自身以及目標(biāo)位置信息,進(jìn)而利用水聲通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健組網(wǎng).現(xiàn)有的水下定位組網(wǎng)方式存在如下3個(gè)問題:1)通信協(xié)議主要關(guān)注如何將信息從源點(diǎn)傳輸?shù)浇K端,而不關(guān)注探測與控制性能,使得通信性能的提升有可能以犧牲探測與控制性能為代價(jià);2)傳輸過程中的信息安全大多忽視,但是水下節(jié)點(diǎn)的隱私保護(hù)與攻擊防護(hù)不容忽視[99];3)信息處理優(yōu)化求解大多利用傳統(tǒng)最小二乘或者凸優(yōu)化求解,導(dǎo)致陷入局部最優(yōu)或者求解困難.針對(duì)上述問題,文獻(xiàn)[100]提出基于差分計(jì)算的隱私防護(hù)模型,進(jìn)而考慮水聲弱通信與流速場影響,設(shè)計(jì)了水下傳感器與目標(biāo)安全定位算法;文獻(xiàn)[101]指出針對(duì)復(fù)雜優(yōu)化問題,可以基于感知得到的動(dòng)態(tài)環(huán)境信息,利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)、深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)等算法以解決復(fù)雜優(yōu)化問題,以使得系統(tǒng)能夠適應(yīng)高復(fù)雜、高動(dòng)態(tài)、強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境開展作業(yè)任務(wù).目前已有研究只是做了初步的探索,但如何在探測-通信-控制一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)有效安全通信與協(xié)同定位尚需進(jìn)一步研究.

3)在控制層面,控制對(duì)象與其性能要求隨探測-傳輸?shù)淖兓兓?對(duì)潛器反饋控制提出新的挑戰(zhàn).目前,潛器反饋控制通常假設(shè)探測與通信是完美實(shí)現(xiàn)的,即主要關(guān)注如何根據(jù)已獲取的導(dǎo)航信息實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制,然而水下復(fù)雜環(huán)境使得上述假設(shè)很難保證.可以預(yù)見,未來潛器協(xié)同控制,不僅需要具有一定的自主控制能力,而且還需要根據(jù)任務(wù)的需要具有信息獲取、任務(wù)規(guī)劃、無線通信、水質(zhì)適應(yīng)、長續(xù)航等能力,這離不開探測、通信、導(dǎo)航、信號(hào)處理、人工智能技術(shù)的支持.需要注意的是,利用潛器探測海洋生態(tài)環(huán)境(探測方向)、潛器的自供電技術(shù)(能源方向)、潛器的自適應(yīng)控制(控制方向)、基于蟻群算法的潛器路徑規(guī)劃(控制方向)、基于潛器的水下物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建(網(wǎng)絡(luò)方向)、潛器編隊(duì)控制(協(xié)同方向)、基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的潛器跟蹤控制(控制方向)、潛器仿生設(shè)計(jì)(總體方向)、以潛器為移動(dòng)邊緣的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)(通信方向)、多潛器協(xié)同任務(wù)(協(xié)同方向)、移動(dòng)式水下傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步(導(dǎo)航方向)、利用過氧化氫或直接推進(jìn)的動(dòng)力系統(tǒng)(能源方向)、潛器水下無線充電(能源方向)、水陸兩棲無人系統(tǒng)(總體方向)、基于滑模控制的潛器跟蹤控制(控制方向)、改進(jìn)潛器的單信標(biāo)導(dǎo)航精度(導(dǎo)航方向)、聲吶圖像中的目標(biāo)識(shí)別(探測方向)、潛器視覺定位(導(dǎo)航方向)、優(yōu)化潛器的環(huán)境采樣任務(wù)(探測方向)、潛器的深海探測任務(wù)(探測方向)已經(jīng)被列入潛器的20項(xiàng)前沿技術(shù)趨勢.因此,如何將一體化系統(tǒng)的反饋需求與面向控制的探測-通信相結(jié)合,進(jìn)而對(duì)潛器進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)與優(yōu)化將是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的研究方向.目前部分研究已經(jīng)開始朝著這個(gè)方向開展,但是尚需結(jié)合水下物理系統(tǒng)的特征(例如,水聲信道、噪弱通信性、噪聲特性與潛器物理受限等)進(jìn)一步深入研究.

4)在應(yīng)用層面,水下探測-通信-控制一體化平臺(tái)搭建相關(guān)研究正處于起步階段,研究結(jié)果主要通過仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證.目前已有的海上實(shí)驗(yàn)還停留在節(jié)點(diǎn)通信、組網(wǎng)和控制分離驗(yàn)證的階段.因此,如何將探測-通信-控制一體化理論成果進(jìn)行海上驗(yàn)證,并根據(jù)海試結(jié)果進(jìn)一步指導(dǎo)理論結(jié)果是未來需要重點(diǎn)研究的另外一個(gè)方向.此外,水下信息物理系統(tǒng)發(fā)展關(guān)鍵是面向應(yīng)用場景,從技術(shù)發(fā)展到解決實(shí)際應(yīng)用場景需求還有很多新的問題需要解決和突破.以海洋牧場中海珍品自主抓取為例,如何在弱光照與動(dòng)態(tài)海流下實(shí)現(xiàn)“看得見”與“抓得著”是其面臨的兩個(gè)主要技術(shù)問題,這涉及多方面的技術(shù)突破,包括弱光照下水下圖像自主識(shí)別技術(shù)、動(dòng)態(tài)水流下目標(biāo)定位技術(shù)、潛器航行與抓取聯(lián)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)技術(shù)、機(jī)械手自主抓取與回收技術(shù)等.需要強(qiáng)調(diào)的是,澳大利亞Blueprint實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的REACH ALPHA 5機(jī)械臂是目前世界上最小最輕的水下五功能機(jī)械手,具有質(zhì)量輕、精度高等優(yōu)點(diǎn),但是其價(jià)格昂貴,不利于規(guī)?；茝V.因此,一方面需要根據(jù)應(yīng)用場景的不同實(shí)現(xiàn)不同學(xué)科背景、多技術(shù)領(lǐng)域的科研人員協(xié)作;另一方面需要推進(jìn)海洋試驗(yàn)平臺(tái)共用以及數(shù)據(jù)共享,以期促進(jìn)水下信息物理系統(tǒng)信息化與智能化.