水下無人航行器及其路徑規(guī)劃技術的發(fā)展現狀與趨勢

曹曉霖

【摘要】路徑規(guī)劃技術是決定水下航行器（UUV）智能化水平高低的關鍵技術，它是自主導航中的一個重要組成部分。本文結合了水下機器人的研究現狀、重點技術以及路徑規(guī)劃技術的研究概況，對UUV路徑規(guī)劃技術的發(fā)展趨勢進行了闡述，并分析了路徑規(guī)劃技術的方法，主要包括智能化方法和多傳感器信息融合方法等;最后對UUV路徑規(guī)劃技術進行了展望。

【關鍵詞】水下無人航行器;路徑規(guī)劃;自主導航;智能化水平

1.引言

路徑規(guī)劃是水下無人航行器（UUV）的關鍵技術之一，水下無人航行器自主能力的真正含義是具有和外部環(huán)境進行交互的能力，這種交互的一個重要方面就是具有全局路徑規(guī)劃以及突發(fā)事件的動態(tài)重規(guī)劃和躲避障礙的能力。如果把UUV進入水域的方位作為起始點，并確定目標點，通過對規(guī)劃空間進行網絡劃分形成連接起始點和目標點的網絡圖，則尋求優(yōu)化航路問題的本質就是路徑優(yōu)化問題，這種方法是一種確定性狀態(tài)空間搜索方法，可以減少規(guī)劃空間的規(guī)模，降低了路徑規(guī)劃的難度。由于水平路徑規(guī)劃仍然需要考慮UUV在運動過程中的生存和做業(yè)的有效性，并且考慮規(guī)劃算法的實時性，所以仍是較為特殊的優(yōu)化問題。要實現水下機器人的路徑規(guī)劃技術對于提高其智能化水平和加快工程化應用進程具有重要意義。

2.水下無人航行器的研究現狀

UUV是不需要由處于潛水器內的人員來操控的水下運載體，多用于執(zhí)行水下作戰(zhàn)、遠程運載、海洋監(jiān)測、情報收集、資源調查、預報預警、科學研究等任務。

UUV技術無論在軍事上、還是民用方面都已不是新事物，其研制始于50年代，早期主要用于海上石油與天然氣的開發(fā)等，軍用方面主要用于打撈試驗丟失的海底武器（如魚雷），后來在水雷戰(zhàn)中作為滅雷具得到了較大的發(fā)展。80年代末，隨著計算機技術、人工智能技術、微電子技術、小型導航設備、指揮與控制硬件、邏輯與軟件技術的突飛猛進， UUV得到了大力發(fā)展。由于UUV擺脫了系纜的牽絆，在水下作戰(zhàn)和作業(yè)方面更加靈活，該技術日益受到發(fā)達國家軍事海洋技術部門的重視。

水下機器人的研究已經有二十多年的歷史，許多沿海國家尤其是發(fā)達國家都致力于水下機器人技術研究的產品開發(fā)。美國、加拿大、英國、日本、俄羅斯以及中國等國家，都成立了專門的機構或者在高校里成立試驗室研究水下機器人技術。如美國海軍水下作戰(zhàn)中心（NUWC）、美國海軍研究局（ONR）、美國海軍海洋系統(tǒng)中心（NAVOCEANO），英國的海事技術中心（Marine Technology Center）、英國國防研究局，德國的STN、HDW公司，日本東京大學的水下機器人應用實驗室（Underwater Robotics Application Laboratory），我國的宜昌測試技術研究所、沈陽自動化研究所和哈爾濱工程大學水下機器人國防科技重點實驗室等。

3.水下無人航行器的重點技術

各國研究機構及制造廠商在UUV關鍵技術及關鍵部件的研制方面取得了一些成果，但由于工作環(huán)境及任務要求等因素的限制，仍存在一些技術難點。UUV主要有以下幾方面的重點技術：

（1）材料：UUV材料技術開發(fā)的重點是廉價的輕型材料，這類材料應具有大浮力、大強度、耐腐蝕及抗生物附著等特點。

（2）低速控制：水下航行器的低速控制裝置包括五個基本部分，即控制水下航行平衡和攻角的可變壓載系統(tǒng)、六自由度定位的垂直和橫向推進器、為高速航行提供升力的艉控制面和控制前進/后退運動的軸向推進器。

（3）低阻力技術：設計UUV形狀時，需綜合考慮其內部空間的使用情況及布放/回收的難易程度等因素。目前各研究機構正在繼續(xù)研發(fā)UUV的新型流體動力設計，但近期的設計大多采用魚雷形狀。

（4）降噪技術：目前在研的UUV降噪方法包括采用機械隔離裝置、吸聲外殼涂層、低噪音推進電機、螺旋槳和泵噴方式等。

（5）動力/能源系統(tǒng)：常規(guī)的動力/能源系統(tǒng)能給UUV提供2天的工作時間，而燃料電池和熱推進系統(tǒng)可為UUV提供數天（并有望長達數周）的作業(yè)時間。

（6）導航定位技術：由于受到尺寸、重量及電源使用的限制，要在水下無人航行器上實現非常精確的導航系統(tǒng)是相當困難的，再加上對UUV的一些其他要求，如：隱蔽作業(yè)、高可靠性、惡劣環(huán)境下的作業(yè)及全球作業(yè)等，就使得UUV的導航更加復雜化了。對于UUV導航系統(tǒng)來說，有兩個關鍵的領域，即傳感器數據的綜合和導航傳感器技術的進展。

UUV在軍民用方面都具有極大的應用潛力，我國在UUV的方面雖然做了大量工作，也取得了一定成果，但與國外先進技術相比，在某些技術領域的基礎研究存在嚴重不足，造成UUV研發(fā)工作技術儲備不夠，某些關鍵技術長期得不到解決，甚至出現空白，例如：智能管理、規(guī)劃和決策與控制技術、隱身技術、高能量密度能源技術、水下高數據率住處傳輸技術等。

4.路徑規(guī)劃技術研究概況

4.1 路徑規(guī)劃概述

路徑規(guī)劃是水下航行器的一個重要研究領域，也是水下無人航行器研究領域中的核心問題之一;水下無人航行器在遠程航行和各種作業(yè)過程中，為了安全地執(zhí)行使命，就必須具備躲避障礙物的能力，同時也體現了水下無人航行器的智能性，我們希望未來的水下無人航行器能具有感知、規(guī)劃和控制與決策等高層能力。它能從周圍的環(huán)境中收集信息，構造一個關于環(huán)境的符號化的環(huán)境模型，并使用這些模型來規(guī)劃、執(zhí)行由應用者下達的高層任務。

4.2 路徑規(guī)劃的定義

路徑規(guī)劃是UUV的一個重要組成部分，它的任務就是在具有障礙物的環(huán)境內，按照一定的評價標準，尋找一條從起始狀態(tài)（包括位置和姿態(tài)）到達目標狀態(tài)（包括位置和姿態(tài)）的無碰路徑[1]。自20世紀70年代以來，已相繼提出了多種方法。無論采用何種方法，基本上都要遵循以下步驟：建立環(huán)境模型，即將現實世界的問題進行抽象后建立相關的模型;全局路徑搜索方法研究，即尋找符合條件的路徑算法;局部路徑規(guī)劃方法研究，即設計在線路徑協(xié)調和避障的方法。

4.3 路徑規(guī)劃的分類

路徑規(guī)劃分為全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃，路徑規(guī)劃也是建立在UUV對其環(huán)境了解程度的基礎上的。全局路徑規(guī)劃需要運動空間里完全的障礙物信息，而局部路徑規(guī)劃可以通過當前的聲納信息實時地規(guī)劃。

全局路徑規(guī)劃需要知道關于環(huán)境的所有信息，并產生一系列關鍵點作為子目標點下達給局部路徑規(guī)劃系統(tǒng)，其規(guī)劃路徑的精確程度取決于獲取環(huán)境信息的準確程度。UUV在航行過程中，根據傳感器的信息不斷更新其內部的環(huán)境信息，從而確定出UUV的當前位置及周圍局部范圍內的障礙物分布情況，并在此基礎上，規(guī)劃出一條從當前點或某一子目標點到下一子目標點的優(yōu)選路徑。

5.路徑規(guī)劃技術的發(fā)展趨勢

隨著計算機、傳感器及控制技術的飛速發(fā)展，目前路徑規(guī)劃技術已經取得了很大進展，但已取得的研究成果還不能完全滿足應用要求。目前路徑規(guī)劃方法向著兩種或多種已有算法的有機結合的方向發(fā)展。研究途徑還包括借鑒結合各學科（如仿生學、機械學、生命科學、物理學、經濟學等）中的優(yōu)化方法、智能決策等技術來設計路徑規(guī)劃算法。主要的研究進展有：

（1）幾種路徑規(guī)劃方法的有效結合。例如，將柵格法和單元樹法相結合用于解決二維和三維空間的路徑規(guī)劃問題[2];將八叉樹法和人工勢場法相結合來解決動態(tài)環(huán)境下三維空間的路徑規(guī)劃問題[3];以及對人工勢場法進行改進等等[4]。多種方法相結合就可能取長補短，達到更好的規(guī)劃效果。

（2）采用新的智能方法。智能化方法通過模擬人的經驗或生物的行為而逼近非線性，具有自組織、自學習功能以及一定的容錯能力，能增強水下無人航行器在動態(tài)時變環(huán)境中的靈活性和智能性。特別是這些方法與傳統(tǒng)路徑規(guī)劃方法相互結合應用于移動機器人路徑規(guī)劃中，促使了各種方法的融合發(fā)展，使得移動機器人更加靈活、更具有智能化。

（3）多傳感器信息融合條件下的路徑規(guī)劃。當水下無人航行器處于動態(tài)時變得環(huán)境中時，要依靠各種傳感器來獲取周圍空間的信息，這就是要求路徑規(guī)劃技術必須具有處理多路信息的能力。多傳感器信息融合技術能有效地利用多傳感器信息，克服單一傳感器信息的不完備性和不確定性，能夠更加準確、全面地認識和描述被測對象，從而做出正確地計劃。多傳感器信息融合技術也是自主式水下航行器的關鍵技術之一，國內外許多學者在自主式水下航行器領域對信息融合技術的研究非常活躍[5-6]。現階段使用的方法有卡爾曼濾波法、神經網絡法等。

（4）采用基于功能/行為的路徑規(guī)劃技術改造傳統(tǒng)的自頂向下的規(guī)劃模式。傳統(tǒng)的基于模型自頂向下的感知——規(guī)劃——執(zhí)行是一種典型的慎思結構。它利用已知的全局環(huán)境模型為自主式水下航行器提供最優(yōu)動作序列而達到某一特定目標點。因此該方法適于解決復雜靜態(tài)環(huán)境中的路徑規(guī)劃。如果將慎思規(guī)劃和基于反應式行為的路徑規(guī)劃這兩種方法的優(yōu)勢相互結合，既能實現在較短時間內選擇并執(zhí)行合理的動作，又能依據環(huán)境信息來調整自主式水下航行器的行為。這樣就能有效解決自主式水下航行器動作的快速性與慎思行為需要消耗一定時間之間的矛盾，因此該方法很有發(fā)展前途。

（5）對傳統(tǒng)算法的進行改進。根據水下機器人工作的不同環(huán)境，選擇快速高效的算法是很有意義的。雖然傳統(tǒng)算法有其不足之處，但是如果對其加以改進，從而滿足規(guī)劃精度的要求，提高水下無人航行器路徑規(guī)劃的適應性、安全性和可達性，也是研究的一個重要方向。

6.結束語

路徑規(guī)劃是信息時代的產物，是隨著信息獲取手段和信息處理技術的發(fā)展而發(fā)展起來的一門跨學科的研究領域。路徑規(guī)劃作為精確制導武器必不可少的支持工具，是提高武器作戰(zhàn)系統(tǒng)實際作戰(zhàn)效能的關鍵技術之一。特別是在戰(zhàn)場環(huán)境瞬息萬變的情況中，復雜的作戰(zhàn)任務往往要求能夠在有效的時間內進行自主式水下航行器多航路規(guī)劃或者在線實時規(guī)劃。由于路徑規(guī)劃涉及的約束較多，數學模型建立困難，這個問題的解決受到了技術上和實際應用上的種種限制?，F有的系統(tǒng)在提高航路規(guī)劃的模型保真度、優(yōu)化精度和執(zhí)行效率方面還有很多工作要做。

參考文獻

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