text: 论无人潜水器的机敏性
  一、概述随着海洋科学技术的深入，对各类无人潜水器的性能提出了越来越高的要求。例如，海底海洋的观测与探测是海洋探索研究的重要途径之一，我国拥有三台深水型载人潜水器，并开展了大量的海底作业工作，产生了巨大的影响。海底环境的海洋观测探测，对于海洋科学发现、海底资源勘探、全球气候变化研究、海洋考古以及海底军事目标探测等，具有极其重要的意义。然而，海底的地形地貌崎岖多变，存在海山、海丘、海岭、海沟等地貌特征。传统的潜水器在地形复杂的区域作业，存在很大的实际局限性。这就要求无人潜水器有足够好的机敏性，以适应在海底的作业任务。那么，什么是无人潜水器的机敏性呢？本篇短文针对这个问题，开展探讨。也希望同仁们一起来研究讨论，从而科学地、全面地理解并定义好潜水器的机敏性，为提升潜水器的机敏性能奠定基础。二、无人潜水器的机敏性内涵无人潜水器作为一个水下运动平台，机敏性是其重要的技术指标。传统意义上对无人潜水器性能的研究往往关注其快速性与续航能力，特别是追求潜水器的高速度，而对其机敏性的系统研究并不多见。然后对于许多场合场景，譬如海底，由于海底环境的复杂性，无人潜水器的机动性、敏捷性则是性能评判的重要指标。潜水器的机敏性是指其改变航行速度、航行方向和航行场所的有效性和快速性。潜水器的机敏性应该包含二个含义，机动性和敏捷性。我们参考空中飞行器、汽车等运动系统对机敏性的研究，对潜水器的机敏性的概念作如下说明。⒈机动性是指无人潜水器在保证稳定性的前提下改变航行速度、航行方向和航行场所的能力，具体阐述如下：⑴速度机动性：一方面，无人潜水器需要具备快速且稳定的海底航行能力；另一方面，也应具备在极低速（包括悬停，即速度为零）情况下的工作能力。⑵方向机动性：具有转向的能力，且改变俯仰、偏航和横滚三个自由度的能力，即姿态控制的能力。机敏型潜水器需同时具备瞬时角速度和大迎角稳定性。由于需要快速适应海底地形地貌的复杂性，方向机动性对海底无人潜水器尤为重要。⑶场所机动性：这是无人潜水器设计中考虑得比较少的部分，指潜水器在空中、陆地、水面、水体、海底等五个不同场所的变换能力。譬如空海两栖航行器，就需要具备空中飞行和水下潜行的能力。如对于海底潜水器来说，主要是具备从水体中降落到海底，以及从海底起飞的稳定运行能力。对于上海交通大学的“哪咤”两栖潜水器来说，需要具备空中飞行后落到水下潜行的稳定运行能力。⒉敏捷性则是指无人潜水器改变航行速度、航行方向和航行场所的快速性。亦即可分为速度敏捷性、方向敏捷性和场所更变敏捷性速度敏捷性就是无人潜水器加速或减速的能力；方向敏捷性涉及到角速度，以及潜水器的转弯半径等量；场所更变敏捷性，是指潜水器改变场所需要的时间，时间越短，场所更变敏捷性就越好。机敏性为潜水器航行性能和作业能力的拓展提供了必要条件，也是无人潜水器技术发展的重点所在。三、如何提升无人潜水器的机敏性近年来，随着应用场景的拓展，研究人员针对无人潜水器机敏性能的分析与提升开展了大量的研究工作。传统无人潜水器的设计目标追求速度机动性更多，即更快的速度与更高的推进效率，以达到最佳的续航能力。而针对在受限空间、海底复杂环境或特殊场合工作的无人潜水器运动机动性和敏捷性的研究较少。提升潜水器的机敏性，主要在以下三个方面开展工作：⒈无人潜水器的外形设计自治式潜水器（AUV）通常采用的是鱼雷型结构，这样的设计保证了潜水器的低水阻、高速度和长行程，但在机敏性方面表现不佳。速度方面，高速性保证了，但无法适应极低速甚至悬停的要求，在方向变化和场所变化方面，更是显得先天不足。例如，鱼雷型的潜水器是不适合驻底作业的，即场所是无法从水体变化到海底。同时，它也无法实现水陆两栖功能，即场所从水体变化到陆地。以海底AUV为例，来讨论一下机敏型无人潜水器的外形设计。针对海底AUV在海底复杂环境下作业的机敏运动需求，首先要提出适应海底复杂环境的新型潜水器本体结构。研究适应海底环境的AUV结构，首先要考虑海底复杂环境的稳定性。一般海底AUV包括以下几种结构形式（图2）：（1）多体形，如美国伍兹霍尔海洋研究所（Woods Hole Oceanographic Institution，WHOI）的ABE号AUV，最大潜深6 km，作业距离大于30 km，作业时间大于50 h，能够在没有母船支持的情况下，较长时间地执行海底科学考察任务。（2）立扁形，如WHOI的Sentry号AUV，中科院沈阳自动化所的“潜在二号”AUV、“潜龙三号”AUV和万米“海斗号”AUV，以及哈尔滨工程大学的“悟空号”AUV等；（3）仿生型，如西北工业大学的仿蝠鲼AUV等；（4）圆碟形，如浙江大学的水下直升机。相比较而言，我们认为圆碟形AUV在水平运动稳定性、机敏性等方面具有较大的优势。⒉新型的推进技术在一定的本体结构设计的基础上，设计相适应的推进机制来实现无人潜水器的机敏运动。一般来讲，机敏型无人潜水器要具备多方向的推进功能，而非常规AUV通常仅具有前向推进器。要提高潜水器的机敏性，通常可设计水平推进系统加垂直推进系统，同时通过设计有效的推进控制算法，实现潜水器在三维海水空间中的多向运动，从而达到前进、后退、上浮、下沉、倾翻、驻底、腾飞、悬停等机动功能，并提升其敏捷性。“水平加垂直”推进系统可设计为4水平推进器+2垂直推进器，也可以设计成为2水平+2垂直、4水平+4垂直、4水平+3垂直和3水平+3垂直等不同方式。每种不同的推进器组合构架，共推进效果也是不同的。这些不同的推进结构的设计及控制，浙江大学以水下直升机为对象曾开展了系统性的研究，大家可以查找相关文献资料来了解。此外，一些新型的推进技术可以满足这样的需求，如矢量推进机制，或者是基于螺旋桨推进与浮力调节的复合推进技术等等。⒊机敏性控制方法这是一个崭新的研究领域，因为针对不同的应用需求，提出了高机敏性潜水器的新结构和新的推进机制，就需要解决如何在这样一种新的体系下面，实现潜水器的高机敏性的问题。也就是说，如何设计新型的机敏性控制方法。首先要解决多传感信息的快速获取与处理问题，以适应高机敏性控制的要求，尤其是适应复杂海洋环境（如海底存在水声多径反射及信道不通畅等问题）定位导航信息的快速精确获得，以支撑潜水器的机敏运动。当然，大家都知道，在环境信息快速获取的背后，必须建立起高速的信息传递通道，即高速水声通信。在环境感知信息快速融合的基础上，建立无人潜水器的机敏控制系统，设计潜水器机敏运动控制软件，通过潜水器的三维调姿，以实现潜水器的高机动性的运动，如快速转向或爬高以避开障碍物，如精确悬停以开展各种作业，如快速沉底以躲避危险，等等。四、水下直升机的机敏性技术研究近年来，针对海底移动观测需求，浙江大学提出的水下直升机（AUH），充分考虑海底环境，采用了圆碟形本体结构，并设计了水平+垂直推进体系。由于与传统的鱼雷形潜水器的外形、推进器布置，以及机动特征存在显著不同，针对传统AUV的水动力分析理论不能完全适用于诸如AUH的海底AUV。目前，针对此类碟形潜水器的水动力性能分析和优化研究已有一定的进展。如开展了碟形潜水器减阻性能和路线运动稳定性开展了初步的研究，探讨了基于碟形结构的水动力优化技术，同时研究了AUH在海底边界效应影响下的流体阻力及其波动现象。同时，在推进系统构架设计方面，通过系统的研究，也摸索出适于AUH机敏性控制的几种推进器组合方式。通信定位导航系统是潜水器的核心系统之一。由于不同的海底地形和底质对潜水器的探测范围往往有重大影响，如影响声场预报精度、目标强度、声影区位置等。在海底环境中，潜水器通信定位的挑战主要来自两个方面：一是海底反射导致的多径干扰带来的空间随机性，二是时变的复杂声传播环境带来的时间随机性。海底环境的时间-空间双重随机性，增加了可靠水下通信和高精度水下定位的难度，这是海底潜水器必然面临的困难和挑战。浙江大学团队在水下直升机的研发中，设计逆超短基水声定位系统，加之惯性组合导航方式，来应对来自海底的挑战。图3是浙江大学的水下直升机的发展和演变情况为保障无人潜水器在海底开展机敏运动作业时（譬如：有效地改变离底高度、快速地变换航行方向等）的水下通导成功率和导航高精度，针对海底复杂环境下潜水器通信难、多径虚源带来的定位精度差等难题，需要开展面向海底无人潜水器的通导理论与方法研究，开展适应于海底稀疏信道的联合信道估计及均衡算法研究和基于宽带通信信号复用的通信定位一体化理论研究，使潜水器具备海底复杂环境下的抗多径能力和抗噪能力，同时有更高的定位频率和定位精度，满足海底潜水器作业的水声通信与导航定位需求，为实现海底潜水器机敏运动机理提供理论支撑。同时，IMU加DVL的组合导航方式以及海底地形匹配的导航定位方式，更加适合于海底环境，为海底无人潜水器提供了更多的定位导航方案。参考文献Jing Zhou, Yulin Si, Ying Chen, The Mobility and Agility of Subsea AUV,Encyclopedia, 20 June 2023,https://encyclopedia.pub/entry/45826Jing Zhou, Yulin Si and Ying Chen, A Review of Subsea AUV Technology[J],Journal of Marine Science and Engineering, 2023, 11, 1119.https://doi.org/10.3390/jmse11061119周晶，司玉林，林渊，魏艳，安新宇，王杭州，黄豪彩，陈鹰，海底AUV关键技术综述[J]，海洋学报，2023，录用待发表Lin Y, Huang Y, Zhu H,et. al. 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Ocean Engineering. 2022, 266, 113015.作者简介】文/周晶、司玉林、陈鹰，分别来自浙江大学、浙江欧深泰海洋科技有限公司。浙江欧深泰海洋科技有限公司成立于 2021 年，是一家以水下直升机为核心产品，集海洋技术装备设计、研发、生产、销售、服务和水下探测作业整体解决方案为一体的水下机器人高科技企业。欧深泰拥有一支来自浙江大学的一流创新团队，在水下机器人仿生技术、控制系统、导航定位、水声通信等方面有极高的技术储备。欧深泰公司以工匠之心打磨产品，推动水下直升机产业化，打造多款水下机器人关键部件和水下装备零部件。公司拥有以深海水下直升机（ AUH）、水下基站（HeIipad ）、海洋立体观测系统等为代表的产品，主要应用于海洋观测、海洋探测、海洋建筑物安全水下监测、消防救援、海底地形绘测、教学科研、消费娱乐等场景，同时可为海洋科学研究、环境保护、海洋工程、资源勘探、水域安防等方向提供行业解决方案。欧深泰以“技术领先，品质卓越”为发展战略，秉承“超客户期待”的理念，致力于打造国际一流的水下机器人生产商和服务商，为我国海洋事业的发展贡献力量。