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簡介：無人艇作為海洋無人系統(tǒng)的重要一環(huán)，其應(yīng)用價(jià)值和戰(zhàn)略意義日益增長。本文從海洋作業(yè)需求出發(fā)介紹了無人艇及艇-機(jī)協(xié)同作業(yè)面臨的一系列挑戰(zhàn)，并針對(duì)性地講解了目前該領(lǐng)域包含裝備制造、理論研究、應(yīng)用示范在內(nèi)的最新研究進(jìn)展和突破。內(nèi)容涵蓋控制、感知、集群網(wǎng)絡(luò)調(diào)控與無人系統(tǒng)路徑規(guī)劃，詳細(xì)地對(duì)自主無人艇-機(jī)集群跨域協(xié)同核心理論、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹。
海洋無人系統(tǒng)是國家海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的重要使能技術(shù)之一。無人艇作為海洋無人系統(tǒng)的重要一環(huán)，其應(yīng)用價(jià)值和戰(zhàn)略意義也日益增長。在重大海洋設(shè)施探測(cè)等作業(yè)過程中，往往面臨著惡劣、高強(qiáng)度作業(yè)水域的突發(fā)情況，對(duì)無人艇集群協(xié)同種類、抗擾能力、覆蓋廣度、目標(biāo)識(shí)別精度等提出的要求日益嚴(yán)苛。傳統(tǒng)艇群協(xié)同技術(shù)難以做到“以突變應(yīng)對(duì)突發(fā)”。同時(shí)，隨著海洋作業(yè)需求日趨復(fù)雜，水面無人艇集群拓展為?？湛缬驘o人艇-機(jī)集群，但其高效、超穩(wěn)、高精協(xié)同控制技術(shù)一直是國際性難題，尚未形成系統(tǒng)的理論與技術(shù)解決方案。
圖1、自主無人艇集群隊(duì)形高精度航跡跟蹤與相變調(diào)控
為解決上述難題，研究者陸續(xù)開展對(duì)水面異構(gòu)無人艇集群協(xié)同裝備、理論與技術(shù)研究，聚焦于如何使無人艇能“控得穩(wěn)、走得直”。船體是無人艇的外驅(qū)，目前常見的無人艇有單體、雙體結(jié)構(gòu)，單體速度快，雙體航行穩(wěn)，為了使無人艇能滿足內(nèi)河湖、港區(qū)和近海作業(yè)需求，往往將多類異構(gòu)無人艇進(jìn)行編隊(duì)，協(xié)作完成指定任務(wù)。如圖1所示的航行控制器則是無人艇的內(nèi)驅(qū)，目前航向和航速的耦合機(jī)理桎梏著無人艇航行的控制精度，如何對(duì)其解耦，實(shí)現(xiàn)兩者的高精控制是國內(nèi)研究者正在討論的熱點(diǎn)。
在上述無人艇控制理論技術(shù)基礎(chǔ)上，無人艇-機(jī)集群跨域協(xié)同研究也在如火如荼地展開，主要包含以下幾個(gè)方面：1、無人艇-機(jī)集群作業(yè)隊(duì)形的相跨域協(xié)同方法和技術(shù)：其關(guān)鍵在于如何在水面運(yùn)動(dòng)無人艇的無人機(jī)起降、艇-機(jī)編隊(duì)跨域協(xié)同效率取得突破，解決快慢子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)問題，以達(dá)到提高協(xié)同無人艇-機(jī)類型，降低水面運(yùn)動(dòng)艇-機(jī)自主降落誤差的目的。達(dá)到“調(diào)控靈、應(yīng)對(duì)快”。2、集群協(xié)同覆蓋、多艇多源感知與高精識(shí)別跟蹤技術(shù)：對(duì)無人艇-機(jī)協(xié)同任務(wù)來說，其重點(diǎn)在于如圖2所示，將探測(cè)模式從平面拓展為立體，提高檢測(cè)遺落率，降低識(shí)別誤差，重點(diǎn)在于解決目標(biāo)姿態(tài)變化、遮擋、視角畸變、粼光、雨霧、抖動(dòng)等帶來的影響，做到“識(shí)得全、看得清”。目前隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，研究者將Transformer結(jié)構(gòu)引入到目標(biāo)識(shí)別領(lǐng)域。利用其獨(dú)有的自注意力機(jī)制，使集群自適應(yīng)地對(duì)信息進(jìn)行多層次、跨空間、跨時(shí)間的關(guān)聯(lián)，極大地提升了識(shí)別的精度。
圖2、自主無人艇集群協(xié)同覆蓋探測(cè)與目標(biāo)識(shí)別
3、集群韌性增強(qiáng)技術(shù)：研究者借助機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)無人艇-機(jī)集群任務(wù)執(zhí)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，精準(zhǔn)定位網(wǎng)絡(luò)的崩潰臨界點(diǎn)，以此來實(shí)現(xiàn)集群故障的“點(diǎn)穴式”提前阻斷、增強(qiáng)集群韌性，實(shí)現(xiàn)故障自愈合。4、無人艇-機(jī)路徑規(guī)劃技術(shù)：以往借助快速擴(kuò)展隨機(jī)樹、人工勢(shì)場(chǎng)、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、貝塞爾曲線、遺傳、粒子群優(yōu)化等算法能解決簡單場(chǎng)景下路徑的自主規(guī)劃，但如今作業(yè)環(huán)境日益嚴(yán)峻復(fù)雜，傳統(tǒng)的規(guī)劃算法難以兼顧實(shí)時(shí)性、平滑性和安全性的需求。目前，研究者逐漸采取利用傳統(tǒng)啟發(fā)搜索等算法實(shí)時(shí)規(guī)劃最優(yōu)路徑，同時(shí)結(jié)合深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的自主避碰的方式來突破二者的局限性。
以上就是無人艇-機(jī)協(xié)同領(lǐng)域當(dāng)前的難點(diǎn)與熱點(diǎn)，目前國內(nèi)無人艇-機(jī)集群的研究已逐漸從理論走向?qū)崿F(xiàn)，開始逐步應(yīng)用到海洋探測(cè)、海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)等重要工程，逐漸在各類重大海洋設(shè)施建設(shè)中嶄露頭角。
