水下无人航行器及其路径规划技术的发展现状与趋势

水下无人航行器及其路径规划技术的发展现状与趋势
【摘要】路径规划技术是决定水下航行器（UUV）智能化水平高低的关键技术，它是自主导航中的一个重要组成部分。

本文结合了水下机器人的研究现状、重点技术以及路径规划技术的研究概况，对UUV路径规划技术的发展趋势进行了阐述，并分析了路径规划技术的方法，主要包括智能化方法和多传感器信息融合方法等;最后对UUV路径规划技术进行了展望。

【关键词】水下无人航行器;路径规划;自主导航;智能化水平
1.引言
路径规划是水下无人航行器（UUV）的关键技术之一，水下无人航行器自主能力的真正含义是具有和外部环境进行交互的能力，这种交互的一个重要方面就是具有全局路径规划以及突发事件的动态重规划和躲避障碍的能力。

如果把UUV进入水域的方位作为起始点，并确定目标点，通过对规划空间进行网络划分形成连接起始点和目标点的网络图，则寻求优化航路问题的本质就是路径优化问题，这种方法是一种确定性状态空间搜索方法，可以减少规划空间的规模，降低了路径规划的难度。

由于水平路径规划仍然需要考虑UUV在运动过程中的生存和做业的有效性，并且考虑规划算法的实时性，所以仍是较为特殊的优化问题。

要实现水下机器人的路径规划技术对于提高其智能化水平和加快工程化应用进程具有重要意义。

2.水下无人航行器的研究现状
UUV是不需要由处于潜水器内的人员来操控的水下运载体，多用于执行水下作战、远程运载、海洋监测、情报收集、资源调查、预报预警、科学研究等任务。

UUV技术无论在军事上、还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与天然气的开发等，军用方面主要用于打捞试验丢失的海底武器（如鱼雷），后来在水雷战中作为灭雷具得到了较大的发展。

80年代末，随着计算机技术、人工智能技术、微电子技术、小型导航设备、指挥与控制硬件、逻辑与软件技术的突飞猛进，UUV得到了大力发展。

由于UUV摆脱了系缆的牵绊，在水下作战和作业方面更加灵活，该技术日益受到发达国家军事海洋技术部门的重视。

水下机器人的研究已经有二十多年的历史，许多沿海国家尤其是发达国家都致力于水下机器人技术研究的产品开发。

美国、加拿大、英国、日本、俄罗斯以及中国等国家，都成立了专门的机构或者在高校里成立试验室研究水下机器人技术。

如美国海军水下作战中心（NUWC）、美国海军研究局（ONR）、美国海军海洋系统中心（NA VOCEANO），英国的海事技术中心（Marine Technology Center）、英国国防研究局，德国的STN、HDW公司，日本东京大学的水下机器
人应用实验室（Underwater Robotics Application Laboratory），我国的宜昌测试技术研究所、沈阳自动化研究所和哈尔滨工程大学水下机器人国防科技重点实验室等。

3.水下无人航行器的重点技术
各国研究机构及制造厂商在UUV关键技术及关键部件的研制方面取得了一些成果，但由于工作环境及任务要求等因素的限制，仍存在一些技术难点。

UUV 主要有以下几方面的重点技术：
（1）材料：UUV材料技术开发的重点是廉价的轻型材料，这类材料应具有大浮力、大强度、耐腐蚀及抗生物附着等特点。

（2）低速控制：水下航行器的低速控制装置包括五个基本部分，即控制水下航行平衡和攻角的可变压载系统、六自由度定位的垂直和横向推进器、为高速航行提供升力的艉控制面和控制前进/后退运动的轴向推进器。

（3）低阻力技术：设计UUV形状时，需综合考虑其内部空间的使用情况及布放/回收的难易程度等因素。

目前各研究机构正在继续研发UUV的新型流体动力设计，但近期的设计大多采用鱼雷形状。

（4）降噪技术：目前在研的UUV降噪方法包括采用机械隔离装置、吸声外壳涂层、低噪音推进电机、螺旋桨和泵喷方式等。

（5）动力/能源系统：常规的动力/能源系统能给UUV提供2天的工作时间，而燃料电池和热推进系统可为UUV提供数天（并有望长达数周）的作业时间。

（6）导航定位技术：由于受到尺寸、重量及电源使用的限制，要在水下无人航行器上实现非常精确的导航系统是相当困难的，再加上对UUV的一些其他要求，如：隐蔽作业、高可靠性、恶劣环境下的作业及全球作业等，就使得UUV 的导航更加复杂化了。

对于UUV导航系统来说，有两个关键的领域，即传感器数据的综合和导航传感器技术的进展。

UUV在军民用方面都具有极大的应用潜力，我国在UUV的方面虽然做了大量工作，也取得了一定成果，但与国外先进技术相比，在某些技术领域的基础研究存在严重不足，造成UUV研发工作技术储备不够，某些关键技术长期得不到解决，甚至出现空白，例如：智能管理、规划和决策与控制技术、隐身技术、高能量密度能源技术、水下高数据率住处传输技术等。

4.路径规划技术研究概况
4.1 路径规划概述
路径规划是水下航行器的一个重要研究领域，也是水下无人航行器研究领域
中的核心问题之一;水下无人航行器在远程航行和各种作业过程中，为了安全地执行使命，就必须具备躲避障碍物的能力，同时也体现了水下无人航行器的智能性，我们希望未来的水下无人航行器能具有感知、规划和控制与决策等高层能力。

它能从周围的环境中收集信息，构造一个关于环境的符号化的环境模型，并使用这些模型来规划、执行由应用者下达的高层任务。

4.2 路径规划的定义
路径规划是UUV的一个重要组成部分，它的任务就是在具有障碍物的环境内，按照一定的评价标准，寻找一条从起始状态（包括位置和姿态）到达目标状态（包括位置和姿态）的无碰路径[1]。

自20世纪70年代以来，已相继提出了多种方法。

无论采用何种方法，基本上都要遵循以下步骤：建立环境模型，即将现实世界的问题进行抽象后建立相关的模型;全局路径搜索方法研究，即寻找符合条件的路径算法;局部路径规划方法研究，即设计在线路径协调和避障的方法。