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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-機協(xié)同作業(yè)面臨的一系列挑戰(zhàn)，并針對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，詳細地對自主無人艇-機集群跨域協(xié)同核心理論、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用情況進行了介紹。
海洋無人系統(tǒng)是國家海洋強國戰(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)用價值和戰(zhàn)略意義也日益增長。在重大海洋設(shè)施探測等作業(yè)過程中，往往面臨著惡劣、高強度作業(yè)水域的突發(fā)情況，對無人艇集群協(xié)同種類、抗擾能力、覆蓋廣度、目標(biāo)識別精度等提出的要求日益嚴苛。傳統(tǒng)艇群協(xié)同技術(shù)難以做到“以突變應(yīng)對突發(fā)”。同時，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)無人艇進行編隊，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理桎梏著無人艇航行的控制精度，如何對其解耦，實現(xiàn)兩者的高精控制是國內(nèi)研究者正在討論的熱點。
在上述無人艇控制理論技術(shù)基礎(chǔ)上，無人艇-機集群跨域協(xié)同研究也在如火如荼地展開，主要包含以下幾個方面：1、無人艇-機集群作業(yè)隊形的相跨域協(xié)同方法和技術(shù)：其關(guān)鍵在于如何在水面運動無人艇的無人機起降、艇-機編隊跨域協(xié)同效率取得突破，解決快慢子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)問題，以達到提高協(xié)同無人艇-機類型，降低水面運動艇-機自主降落誤差的目的。達到“調(diào)控靈、應(yīng)對快”。2、集群協(xié)同覆蓋、多艇多源感知與高精識別跟蹤技術(shù)：對無人艇-機協(xié)同任務(wù)來說，其重點在于如圖2所示，將探測模式從平面拓展為立體，提高檢測遺落率，降低識別誤差，重點在于解決目標(biāo)姿態(tài)變化、遮擋、視角畸變、粼光、雨霧、抖動等帶來的影響，做到“識得全、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)識別領(lǐng)域。利用其獨有的自注意力機制，使集群自適應(yīng)地對信息進行多層次、跨空間、跨時間的關(guān)聯(lián)，極大地提升了識別的精度。
圖2、自主無人艇集群協(xié)同覆蓋探測與目標(biāo)識別
3、集群韌性增強技術(shù)：研究者借助機器學(xué)習(xí)對無人艇-機集群任務(wù)執(zhí)行數(shù)據(jù)進行分析，精準(zhǔn)定位網(wǎng)絡(luò)的崩潰臨界點，以此來實現(xiàn)集群故障的“點穴式”提前阻斷、增強集群韌性，實現(xiàn)故障自愈合。4、無人艇-機路徑規(guī)劃技術(shù)：以往借助快速擴展隨機樹、人工勢場、動態(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景下路徑的自主規(guī)劃，但如今作業(yè)環(huán)境日益嚴峻復(fù)雜，傳統(tǒng)的規(guī)劃算法難以兼顧實時性、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)搜索等算法實時規(guī)劃最優(yōu)路徑，同時結(jié)合深度強化學(xué)習(xí)算法實現(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-機協(xié)同領(lǐng)域當(dāng)前的難點與熱點，目前國內(nèi)無人艇-機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、海上風(fēng)電場建設(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。
