曹曉霖

【摘要】路徑規(guī)劃技術(shù)是決定水下航行器（UUV）智能化水平高低的關(guān)鍵技術(shù)，它是自主導(dǎo)航中的一個(gè)重要組成部分。本文結(jié)合了水下機(jī)器人的研究現(xiàn)狀、重點(diǎn)技術(shù)以及路徑規(guī)劃技術(shù)的研究概況，對UUV路徑規(guī)劃技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了闡述，并分析了路徑規(guī)劃技術(shù)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(shù)進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】水下無人航行器;路徑規(guī)劃;自主導(dǎo)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(guān)鍵技術(shù)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(jìn)行交互的能力，這種交互的一個(gè)重要方面就是具有全局路徑規(guī)劃以及突發(fā)事件的動(dòng)態(tài)重規(guī)劃和躲避障礙的能力。如果把UUV進(jìn)入水域的方位作為起始點(diǎn)，并確定目標(biāo)點(diǎn)，通過對規(guī)劃空間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分形成連接起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)圖，則尋求優(yōu)化航路問題的本質(zhì)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(yùn)動(dòng)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(shí)時(shí)性，所以仍是較為特殊的優(yōu)化問題。要實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的路徑規(guī)劃技術(shù)對于提高其智能化水平和加快工程化應(yīng)用進(jìn)程具有重要意義。

2.水下無人航行器的研究現(xiàn)狀

UUV是不需要由處于潛水器內(nèi)的人員來操控的水下運(yùn)載體，多用于執(zhí)行水下作戰(zhàn)、遠(yuǎn)程運(yùn)載、海洋監(jiān)測、情報(bào)收集、資源調(diào)查、預(yù)報(bào)預(yù)警、科學(xué)研究等任務(wù)。

UUV技術(shù)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(yàn)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(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、微電子技術(shù)、小型導(dǎo)航設(shè)備、指揮與控制硬件、邏輯與軟件技術(shù)的突飛猛進(jìn)， 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(shù)日益受到發(fā)達(dá)國家軍事海洋技術(shù)部門的重視。

水下機(jī)器人的研究已經(jīng)有二十多年的歷史，許多沿海國家尤其是發(fā)達(dá)國家都致力于水下機(jī)器人技術(shù)研究的產(chǎn)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(jī)構(gòu)或者在高校里成立試驗(yàn)室研究水下機(jī)器人技術(shù)。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(shù)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(xué)的水下機(jī)器人應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室（Underwater Robotics Application Laboratory），我國的宜昌測試技術(shù)研究所、沈陽自動(dòng)化研究所和哈爾濱工程大學(xué)水下機(jī)器人國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等。

3.水下無人航行器的重點(diǎn)技術(shù)

各國研究機(jī)構(gòu)及制造廠商在UUV關(guān)鍵技術(shù)及關(guān)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(wù)要求等因素的限制，仍存在一些技術(shù)難點(diǎn)。UUV主要有以下幾方面的重點(diǎn)技術(shù)：

（1）材料：UUV材料技術(shù)開發(fā)的重點(diǎn)是廉價(jià)的輕型材料，這類材料應(yīng)具有大浮力、大強(qiáng)度、耐腐蝕及抗生物附著等特點(diǎn)。

（2）低速控制：水下航行器的低速控制裝置包括五個(gè)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(jìn)器、為高速航行提供升力的艉控制面和控制前進(jìn)/后退運(yùn)動(dòng)的軸向推進(jìn)器。

（3）低阻力技術(shù)：設(shè)計(jì)UUV形狀時(shí)，需綜合考慮其內(nèi)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(jī)構(gòu)正在繼續(xù)研發(fā)UUV的新型流體動(dòng)力設(shè)計(jì)，但近期的設(shè)計(jì)大多采用魚雷形狀。

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

（5）動(dòng)力/能源系統(tǒng)：常規(guī)的動(dòng)力/能源系統(tǒng)能給UUV提供2天的工作時(shí)間，而燃料電池和熱推進(jìn)系統(tǒng)可為UUV提供數(shù)天（并有望長達(dá)數(shù)周）的作業(yè)時(shí)間。

（6）導(dǎo)航定位技術(shù)：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(shí)現(xiàn)非常精確的導(dǎo)航系統(tǒng)是相當(dāng)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(dǎo)航更加復(fù)雜化了。對于UUV導(dǎo)航系統(tǒng)來說，有兩個(gè)關(guān)鍵的領(lǐng)域，即傳感器數(shù)據(jù)的綜合和導(dǎo)航傳感器技術(shù)的進(jìn)展。

UUV在軍民用方面都具有極大的應(yīng)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(jìn)技術(shù)相比，在某些技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究存在嚴(yán)重不足，造成UUV研發(fā)工作技術(shù)儲(chǔ)備不夠，某些關(guān)鍵技術(shù)長期得不到解決，甚至出現(xiàn)空白，例如：智能管理、規(guī)劃和決策與控制技術(shù)、隱身技術(shù)、高能量密度能源技術(shù)、水下高數(shù)據(jù)率住處傳輸技術(shù)等。

4.路徑規(guī)劃技術(shù)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(gè)重要研究領(lǐng)域，也是水下無人航行器研究領(lǐng)域中的核心問題之一;水下無人航行器在遠(yuǎn)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(shí)也體現(xiàn)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(gòu)造一個(gè)關(guān)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(yīng)用者下達(dá)的高層任務(wù)。

4.2 路徑規(guī)劃的定義

路徑規(guī)劃是UUV的一個(gè)重要組成部分，它的任務(wù)就是在具有障礙物的環(huán)境內(nèi)，按照一定的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，尋找一條從起始狀態(tài)（包括位置和姿態(tài)）到達(dá)目標(biāo)狀態(tài)（包括位置和姿態(tài)）的無碰路徑[1]。自20世紀(jì)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(xiàn)實(shí)世界的問題進(jìn)行抽象后建立相關(guān)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(shè)計(jì)在線路徑協(xié)調(diào)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(chǔ)上的。全局路徑規(guī)劃需要運(yùn)動(dòng)空間里完全的障礙物信息，而局部路徑規(guī)劃可以通過當(dāng)前的聲納信息實(shí)時(shí)地規(guī)劃。

全局路徑規(guī)劃需要知道關(guān)于環(huán)境的所有信息，并產(chǎn)生一系列關(guān)鍵點(diǎn)作為子目標(biāo)點(diǎn)下達(dá)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(zhǔn)確程度。UUV在航行過程中，根據(jù)傳感器的信息不斷更新其內(nèi)部的環(huán)境信息，從而確定出UUV的當(dāng)前位置及周圍局部范圍內(nèi)的障礙物分布情況，并在此基礎(chǔ)上，規(guī)劃出一條從當(dāng)前點(diǎn)或某一子目標(biāo)點(diǎn)到下一子目標(biāo)點(diǎn)的優(yōu)選路徑。

5.路徑規(guī)劃技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著計(jì)算機(jī)、傳感器及控制技術(shù)的飛速發(fā)展，目前路徑規(guī)劃技術(shù)已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，但已取得的研究成果還不能完全滿足應(yīng)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(jī)結(jié)合的方向發(fā)展。研究途徑還包括借鑒結(jié)合各學(xué)科（如仿生學(xué)、機(jī)械學(xué)、生命科學(xué)、物理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等）中的優(yōu)化方法、智能決策等技術(shù)來設(shè)計(jì)路徑規(guī)劃算法。主要的研究進(jìn)展有：

（1）幾種路徑規(guī)劃方法的有效結(jié)合。例如，將柵格法和單元樹法相結(jié)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(jié)合來解決動(dòng)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(jìn)行改進(jìn)等等[4]。多種方法相結(jié)合就可能取長補(bǔ)短，達(dá)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(jīng)驗(yàn)或生物的行為而逼近非線性，具有自組織、自學(xué)習(xí)功能以及一定的容錯(cuò)能力，能增強(qiáng)水下無人航行器在動(dòng)態(tài)時(shí)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(jié)合應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dāng)水下無人航行器處于動(dòng)態(tài)時(shí)變得環(huán)境中時(shí)，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(shù)必須具有處理多路信息的能力。多傳感器信息融合技術(shù)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(zhǔn)確、全面地認(rèn)識和描述被測對象，從而做出正確地計(jì)劃。多傳感器信息融合技術(shù)也是自主式水下航行器的關(guān)鍵技術(shù)之一，國內(nèi)外許多學(xué)者在自主式水下航行器領(lǐng)域?qū)π畔⑷诤霞夹g(shù)的研究非?；钴S[5-6]?，F(xiàn)階段使用的方法有卡爾曼濾波法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。

（4）采用基于功能/行為的路徑規(guī)劃技術(shù)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(jié)構(gòu)。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(dòng)作序列而達(dá)到某一特定目標(biāo)點(diǎn)。因此該方法適于解決復(fù)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(yīng)式行為的路徑規(guī)劃這兩種方法的優(yōu)勢相互結(jié)合，既能實(shí)現(xiàn)在較短時(shí)間內(nèi)選擇并執(zhí)行合理的動(dòng)作，又能依據(jù)環(huán)境信息來調(diào)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(dòng)作的快速性與慎思行為需要消耗一定時(shí)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(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)水下機(jī)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(jìn)，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(yīng)性、安全性和可達(dá)性，也是研究的一個(gè)重要方向。

6.結(jié)束語

路徑規(guī)劃是信息時(shí)代的產(chǎn)物，是隨著信息獲取手段和信息處理技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的一門跨學(xué)科的研究領(lǐng)域。路徑規(guī)劃作為精確制導(dǎo)武器必不可少的支持工具，是提高武器作戰(zhàn)系統(tǒng)實(shí)際作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵技術(shù)之一。特別是在戰(zhàn)場環(huán)境瞬息萬變的情況中，復(fù)雜的作戰(zhàn)任務(wù)往往要求能夠在有效的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行自主式水下航行器多航路規(guī)劃或者在線實(shí)時(shí)規(guī)劃。由于路徑規(guī)劃涉及的約束較多，數(shù)學(xué)模型建立困難，這個(gè)問題的解決受到了技術(shù)上和實(shí)際應(yīng)用上的種種限制?，F(xiàn)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。

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