downloaded from www.ship- 中 国 舰 船 研 究 第 1 3 卷 期 刊 网 址 w w w . s h i p - r e s e a r c h . c o m 收 稿 日 期 2 0 1 7 - 0 6 - 1 9 网 络 首 发 时 间 2 0 1 8 - 5 - 1 8 1 1 3 5 基 金 项 目 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （ 5 1 5 7 9 1 1 1 ） ； 海 洋 工 程 国 家 重 点 实 验 室 研 究 基 金 资 助 项 目 （ 2 0 1 5 0 4 ） 作 者 简 介 赵 蕊 （ 通 信 作 者 ） ， 女 ， 1 9 8 1 年 生 ， 硕 士 ， 高 级 工 程 师 。 研 究 方 向 无 人 水 下 航 行 器 总 体 及 控 制 技 术 。 E - m a i l z h a o r u i 7 0 1 s 1 6 3 . c o m 许 建 ， 男 ， 1 9 6 3 年 生 ， 博 士 ， 研 究 员 ， 博 士 生 导 师 。 研 究 方 向 舰 船 总 体 研 究 与 设 计 向 先 波 ， 男 ， 1 9 7 8 年 生 ， 博 士 ， 副 教 授 ， 博 士 生 导 师 。 研 究 方 向 海 洋 航 行 器 控 制 技 术 。 E - m a i l x b x i a n g h u s t . e d u . c n 多 自 主 式 水 下 机 器 人 的 路 径 规 划 和 控 制 技 术 研 究 综 述 赵 蕊 1 ， 许 建 1 ， 向 先 波 2 ， 徐 国 华 2 1 中 国 舰 船 研 究 设 计 中 心 ， 湖 北 武 汉 4 3 0 0 6 4 2 华 中 科 技 大 学 船 舶 与 海 洋 工 程 学 院 ， 湖 北 武 汉 4 3 0 0 7 4 摘 要 自 主 式 水 下 机 器 人 （ A U V ） 是 海 洋 资 源 勘 探 和 开 发 的 重 要 工 具 ， 在 民 用 和 军 用 领 域 都 发 挥 着 重 要 作 用 。 随 着 A U V 技 术 的 逐 步 成 熟 ， 通 过 构 建 多 自 主 式 水 下 机 器 人 （ M A U V ） 系 统 ， 令 多 个 A U V 协 作 完 成 水 下 作 业 任 务 已 成 为 当 前 的 发 展 趋 势 。 M A U V 系 统 对 提 高 水 下 机 器 人 的 智 能 化 水 平 及 发 展 海 洋 化 装 备 具 有 重 要 的 理 论 研 究 意 义 和 实 用 价 值 。 介 绍 目 前 M A U V 系 统 的 应 用 现 状 和 科 研 进 展 ， 并 对 M A U V 协 同 路 径 规 划 和 集 群 协 同 控 制 技 术 等 研 究 热 点 进 行 系 统 化 梳 理 ， 着 重 分 析 人 工 智 能 优 化 和 编 队 协 同 的 关 键 技 术 。 最 后 ， 对 M A U V 系 统 未 来 的 发 展 方 向 进 行 展 望 。 关 键 词 多 自 主 式 水 下 机 器 人 系 统 ； 路 径 规 划 ； 集 群 协 同 ； 编 队 控 制 中 图 分 类 号 U 6 7 4 . 9 4 1 文 献 标 志 码 A D O I 1 0 . 1 9 6 9 3 / j . i s s n . 1 6 7 3 - 3 1 8 5 . 0 1 0 2 8 A r e v i e w o f p a t h p l a n n i n g a n d c o o p e r a t i v e c o n t r o l f o r M A U V s y s t e m s Z H A O R u i 1 ， X U J i a n 1 ， X I A N G X i a n b o 2 ， X U G u o h u a 2 1 C h i n a S h i p D e v e l o p m e n t a n d D e s i g n C e n t e r ， W u h a n 4 3 0 0 6 4 ， C h i n a 2 S c h o o l o f N a v a l A r c h i t e c t u r e a n d O c e a n E n g i n e e r i n g ， H u a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， W u h a n 4 3 0 0 7 4 ， C h i n a A b s t r a c t T h e A u t o n o m o u s U n d e r w a t e r V e h i c l e （ A U V ） i s a n i m p o r t a n t t o o l f o r o c e a n e x p l o r a t i o n a n d t h e e x p l o i t a t i o n o f u n d e r w a t e r r e s o u r c e s ， w h i c h p l a y s i m p o r t a n t r o l e s i n c i v i l i a n a n d m i l i t a r y f i e l d s . A l o n g w i t h t h e r e s e a r c h p r o g r e s s o f A U V s ， i t h a s b e c o m e t h e c u r r e n t d e v e l o p m e n t t r e n d t o c o o p e r a t e o n c o m p l e t i n g u n d e r w a t e r o p e r a t i o n s b y c o n s t r u c t i n g t h e M u l t i p l e A u t o n o m o u s U n d e r w a t e r V e h i c l e （ M A U V ） s y s t e m . T h e M A U V s y s t e m h a s i m p o r t a n t t h e o r e t i c a l r e s e a r c h s i g n i f i c a n c e a n d p r a c t i c a l v a l u e f o r i m p r o v i n g t h e i n t e l l i g e n c e l e v e l o f u n d e r w a t e r v e h i c l e s a n d d e v e l o p i n g m a r i n e e q u i p m e n t . I n t h i s p a p e r ， t h e s t a t e o f t h e a r t o f t h e M A U V i s p r e s e n t e d f r o m t h e p o i n t o f v i e w o f p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n a n d s c i e n t i f i c r e s e a r c h . T h e m a i n m e t h o d s o f p a t h p l a n n i n g a n d c o o p e r a t i v e c o n t r o l f o r M A U V a r e i l l u s t r a t e d ， i n c l u d i n g a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e a n d f o r m a t i o n c o n t r o l t e c h n i q u e s . F i n a l l y ， t h e r e s e a r c h t r e n d s o f M A U V a r e a l s o d i s c u s s e d a n d t h e m a i n t o p i c i s h i g h l i g h t e d . K e y w o r d s M u l t i p l e A u t o n o m o u s U n d e r w a t e r V e h i c l e （ M A U V ） s y s t e m s ； p a t h p l a n n i n g ； f l o c k i n g c o o p e r a t i o n ； f o r m a t i o n c o n t r o l 网 络 首 发 地 址 h t t p / / k n s . c n k i . n e t / k c m s / d e t a i l / 4 2 . 1 7 5 5 . T J . 2 0 1 8 0 5 1 8 . 1 1 3 5 . 0 0 2 . h t m l 引 用 格 式 赵 蕊 ， 许 建 ， 向 先 波 ， 等 . 多 自 主 式 水 下 机 器 人 的 路 径 规 划 和 控 制 技 术 研 究 综 述 ［ J ］ . 中 国 舰 船 研 究 ， 2 0 1 8 ， 1 3 （ 6 ） 5 8 - 6 5 . Z H A O R ， X U J ， X I A N G X B ， e t a l . A r e v i e w o f p a t h p l a n n i n g a n d c o o p e r a t i v e c o n t r o l f o r M A U V s y s t e m s ［ J ］ . C h i n e s e J o u r n a l o f S h i p R e s e a r c h ， 2 0 1 8 ， 1 3 （ 6 ） 5 8 - 6 5 . 第 1 3 卷 第 6 期 2 0 1 8 年 1 2 月 中 国 舰 船 研 究 Chinese Journalof Ship Research V o l . 1 3 N o . 6 D e c . 2 0 1 8downloaded from www.ship- 第 6 期 0 引 言 自 主 式 水 下 机 器 人 （ A U V ） 作 为 一 种 无 缆 型 水 下 航 行 器 ， 是 海 洋 资 源 勘 探 和 开 发 的 重 要 工 具 。 A U V 在 军 用 领 域 的 应 用 十 分 广 泛 ， 可 用 于 反 潜 战 、 水 雷 战 、 情 报 侦 察 、 巡 逻 监 视 、 后 勤 支 援 、 地 形 测 绘 和 水 下 施 工 等 ［ 1 - 3 ］ ， 故 世 界 各 国 都 在 致 力 研 究 先 进 的 A U V 系 统 以 增 强 国 防 实 力 。 美 国 的 伍 兹 霍 尔 海 洋 研 究 所 、 蒙 特 雷 湾 海 洋 研 究 所 、 麻 省 理 工 学 院 海 洋 研 究 中 心 等 众 多 研 究 机 构 研 制 了 大 量 应 用 于 短 期 水 雷 侦 察 系 统 和 长 期 水 雷 侦 察 系 统 的 A U V 。 1 9 9 0 年 ， 挪 威 国 防 研 究 机 构 制 定 了 A U V 长 期 发 展 计 划 ， 其 中 H U G I N 系 列 A U V 已 多 次 参 加 挪 威 皇 家 海 军 的 猎 雷 演 示 试 验 。 与 此 同 时 ， 法 国 及 俄 罗 斯 等 国 家 也 在 军 用 A U V 方 面 开 展 了 大 量 研 究 工 作 ［ 4 ］ 。 在 民 用 领 域 ， A U V 主 要 用 于 海 洋 环 境 考 察 、 海 底 矿 产 和 生 物 资 源 勘 探 、 海 事 救 援 、 海 洋 考 古 及 海 底 光 缆 工 程 建 设 与 维 护 等 ［ 5 ］ 。 在 中 国 大 洋 矿 产 资 源 开 发 研 究 协 会 的 支 持 下 ， 中 国 与 俄 罗 斯 联 合 研 制 开 发 了 C R - 0 1 型 和 C R - 0 2 型 （ 6 0 0 0 m ） A U V ， 可 以 在 深 海 底 平 坦 地 形 的 多 金 属 结 核 矿 区 工 作 环 境 下 完 成 声 学 、 光 学 和 水 文 测 量 任 务 。 美 国 T e s l a O f f s h o r e 公 司 已 应 用 B l u e f i n - 2 1 型 A U V 开 展 海 洋 管 道 检 修 服 务 及 海 床 地 理 环 境 地 图 的 绘 制 工 作 。 2 0 1 1 年 ， 美 国 蒙 特 雷 湾 海 洋 研 究 所 在 J u a n d e F u c a 海 岭 投 放 了 “ D o r a d o 深 海 A U V ” ， 该 型 A U V 的 最 低 航 行 高 度 为 海 底 上 方 5 0 m ， 其 配 置 的 多 波 束 声 呐 可 以 精 确 测 绘 火 山 口 周 围 的 海 底 地 貌 ［ 6 - 7 ］ 。 近 几 十 年 来 ， 鉴 于 A U V 在 民 用 和 军 用 领 域 的 重 要 地 位 ， 各 国 在 A U V 技 术 方 面 均 取 得 了 长 足 的 发 展 ［ 8 - 1 0 ］ ， 并 基 于 任 务 需 求 研 发 了 多 自 主 式 水 下 机 器 人 （ M A U V ） 系 统 。 1 M A U V 系 统 1 . 1 应 用 研 究 进 展 随 着 A U V 技 术 的 不 断 成 熟 ， 其 已 成 为 能 够 完 成 指 定 任 务 的 水 下 自 主 作 业 系 统 。 然 而 ， 单 个 A U V 难 以 满 足 一 些 动 态 复 杂 任 务 的 应 用 需 求 ， M A U V 系 统 由 此 应 运 而 生 ［ 1 1 - 1 3 ］ 。 在 水 下 作 业 方 面 ， M A U V 系 统 因 其 空 间 分 布 性 、 高 效 性 、 鲁 棒 性 及 灵 活 性 等 特 点 ， 具 备 单 台 A U V 所 无 法 比 拟 的 优 势 。 M A U V 系 统 的 核 心 思 想 是 将 多 个 功 能 简 单 的 A U V 组 成 一 个 系 统 ， 通 过 控 制 各 A U V 协 调 合 作 来 完 成 给 定 任 务 ［ 1 4 - 1 7 ］ 。 目 前 ， 美 国 空 间 及 海 军 作 战 系 统 中 心 设 计 了 分 布 式 M A U V 水 下 监 听 系 统 ， 并 建 立 了 水 下 基 站 用 以 监 测 水 下 数 据 。 哈 尔 滨 工 程 大 学 海 洋 综 合 技 术 工 程 研 究 中 心 也 基 于 智 能 M A U V 系 统 ， 在 海 底 作 战 环 境 探 测 、 水 下 大 型 物 品 运 输 等 方 面 开 展 了 研 究 ［ 1 8 ］ 。 由 M A U V 组 成 的 水 下 网 络 可 以 与 水 上 网 络 相 结 合 ， 形 成 全 方 位 立 体 化 的 信 息 网 络 ， 其 中 水 面 舰 艇 或 浮 标 可 以 作 为 水 上 和 水 下 连 接 的 中 继 节 点 。 由 于 水 下 信 息 网 络 能 够 长 期 在 复 杂 或 高 威 胁 环 境 中 完 成 海 区 监 视 、 情 报 搜 集 和 环 境 监 测 等 任 务 ［ 1 9 - 2 2 ］ ， 故 M A U V 系 统 具 有 重 要 的 研 究 意 义 和 应 用 价 值 。 1 . 2 科 学 研 究 进 展 为 保 证 M A U V 顺 利 完 成 水 下 环 境 立 体 协 同 调 查 、 水 下 协 作 搜 索 、 水 下 协 同 围 捕 、 水 下 信 息 传 输 等 各 种 协 调 控 制 任 务 ， 首 先 需 要 明 确 M A U V 协 同 作 业 系 统 中 各 A U V 的 路 径 规 划 。 然 而 ， M A U V 协 同 路 径 规 划 是 一 个 包 含 复 杂 约 束 条 件 的 大 规 模 组 合 优 化 问 题 ， 需 为 系 统 内 每 台 A U V 规 划 从 起 点 到 终 点 的 最 优 或 接 近 最 优 的 路 径 ， 进 而 通 过 协 调 组 合 策 略 使 整 个 系 统 的 组 合 路 径 最 优 ， 从 而 实 现 系 统 总 消 耗 时 间 最 短 、 能 量 消 耗 最 少 、 转 弯 半 径 最 小 及 加 速 度 最 大 等 目 标 ［ 2 3 - 2 5 ］ 。 另 一 方 面 ， M A U V 集 群 协 同 完 成 某 项 任 务 时 ， 一 般 要 求 多 台 A U V 保 持 一 定 的 队 形 执 行 任 务 ， 即 在 航 行 过 程 中 控 制 A U V 与 群 体 中 其 他 A U V 的 相 对 空 间 距 离 ， 实 现 A U V 集 群 的 编 队 形 成 和 编 队 控 制 ， 系 统 中 的 多 台 A U V 将 从 一 个 随 机 的 初 始 状 态 过 渡 到 一 个 整 体 有 规 律 或 符 合 设 计 要 求 的 稳 定 状 态 。 M A U V 集 群 在 行 进 过 程 中 既 要 遵 循 一 定 的 队 形 约 束 ， 又 要 适 应 当 前 的 工 作 环 境 （ 例 如 ， 障 碍 物 或 空 间 的 物 理 限 制 ） ， 具 有 相 当 的 挑 战 性 。 2 M A U V 路 径 规 划 技 术 目 前 ， M A U V 的 路 径 规 划 方 法 主 要 如 下 。 1 ） 生 物 启 发 自 组 织 神 经 网 络 算 法 。 生 物 启 发 自 组 织 神 经 网 络 （ S e l f - O r g a n i z i n g M a p ， S O M ） 算 法 包 含 3 个 步 骤 首 先 ， 通 过 计 算 欧 氏 距 离 来 选 取 获 胜 神 经 元 ； 其 次 ， 在 某 个 神 经 元 获 胜 后 ， 设 计 一 个 邻 域 函 数 ， 该 邻 域 函 数 决 定 了 输 入 神 经 元 对 获 胜 神 经 元 和 相 邻 神 经 元 的 影 响 力 ， 其 中 获 胜 神 经 元 所 受 的 影 响 最 大 ， 邻 近 神 经 元 所 受 的 影 响 逐 渐 减 小 ， 邻 域 以 外 的 神 经 元 不 受 影 响 ， 影 响 力 决 定 了 在 某 次 迭 代 过 程 中 邻 域 神 经 元 权 重 调 整 的 大 小 ； 最 后 ， 通 过 更 新 三 维 权 向 量 方 法 使 A U V 到 达 目 标 点 ［ 2 6 ］ 。 赵 蕊 等 多 自 主 式 水 下 机 器 人 的 路 径 规 划 和 控 制 技 术 研 究 综 述 5 9downloaded from www.ship- 中 国 舰 船 研 究 第 1 3 卷 2 ） 蚁 群 算 法 。 蚁 群 算 法 由 意 大 利 学 者 D o r i g o 提 出 ， 该 算 法 通 过 模 拟 蚂 蚁 社 会 的 分 工 与 协 作 来 进 行 寻 优 ［ 2 7 ］ 。 基 于 蚁 群 算 法 的 M A U V 协 调 路 径 规 划 包 括 路 径 优 化 和 路 径 校 核 2 部 分 。 在 路 径 优 化 之 前 ， 应 对 各 A U V 所 要 访 问 的 路 径 点 数 量 进 行 分 配 。 为 了 保 证 各 A U V 的 任 务 量 相 当 ， 应 尽 可 能 均 匀 分 配 访 问 路 径 点 。 各 路 径 点 被 访 问 的 先 后 顺 序 由 蚁 群 算 法 来 实 现 ， 依 次 连 接 某 台 A U V 的 起 点 、 被 分 配 的 路 径 点 及 其 终 点 ， 就 形 成 了 该 A U V 的 路 径 。 对 所 有 A U V 执 行 同 样 的 操 作 即 可 生 成 M A U V 的 路 径 。 若 路 径 点 数 量 n 恰 好 能 被 A U V 数 量 m 整 除 ， 则 每 个 A U V 将 分 配 n / m 个 路 径 点 ； 若 n 不 能 被 m 整 除 ， 则 将 余 数 再 从 首 至 尾 逐 一 分 配 给 各 A U V ， 直 到 分 配 完 为 止 。 路 径 的 长 度 可 以 通 过 计 算 路 径 中 所 有 相 邻 路 径 点 （ 包 括 A U V 的 起 点 和 终 点 ） 之 间 的 距 离 求 得 ， 将 各 A U V 的 路 径 长 度 求 和 即 可 得 到 M A U V 的 总 路 程 ［ 2 8 - 2 9 ］ 。 3 ） 内 螺 旋 覆 盖 算 法 。 内 螺 旋 覆 盖 （ I n t e r n a l S p i r a l C o v e r a g e ， I S C ） 算 法 是 一 种 基 于 栅 格 地 图 的 在 线 覆 盖 算 法 ［ 3 0 ］ 。 该 算 法 采 用 简 单 的 圆 形 机 器 人 来 覆 盖 环 境 ， 并 假 设 机 器 人 内 部 测 距 传 感 器 （ 里 程 计 ） 可 以 精 确 测 量 机 器 人 的 全 局 坐 标 。 覆 盖 过 程 中 ， I S C 算 法 分 为 2 个 阶 段 边 界 探 索 阶 段 和 在 线 覆 盖 阶 段 。 在 边 界 探 索 阶 段 ， 机 器 人 从 环 境 的 任 一 顶 点 开 始 ， 采 取 右 侧 沿 环 境 边 界 行 走 的 方 式 运 动 一 周 。 将 机 器 人 右 侧 接 触 传 感 器 所 在 栅 格 赋 值 为 0 ， 表 示 该 栅 格 无 法 覆 盖 ； 将 机 器 人 走 过 的 栅 格 赋 值 为 1 ， 表 示 该 栅 格 已 被 覆 盖 ； 将 机 器 人 左 侧 栅 格 赋 值 为 2 ， 表 示 下 一 圈 要 覆 盖 的 栅 格 ， 即 在 线 规 划 的 覆 盖 路 径 。 在 边 界 探 索 阶 段 结 束 时 即 可 获 得 环 境 边 界 ， 此 时 机 器 人 完 成 了 边 界 附 近 的 一 圈 覆 盖 ， 并 规 划 了 下 一 圈 的 运 动 路 径 ， 然 后 进 入 在 线 覆 盖 阶 段 。 在 在 线 覆 盖 阶 段 ， 机 器 人 沿 边 界 探 索 阶 段 赋 值 为 2 的 连 续 栅 格 运 动 ， 并 将 其 赋 值 为 l ， 同 时 将 机 器 人 左 侧 未 赋 值 的 栅 格 赋 值 为 2 。 当 第 2 圈 覆 盖 结 束 时 即 可 生 成 第 3 圈 的 覆 盖 路 径 ， 机 器 人 以 此 方 式 向 内 螺 旋 完 成 所 有 区 域 的 覆 盖 。 如 果 环 境 内 部 存 在 障 碍 物 ， 则 障 碍 物 会 阻 断 规 划 的 路 径 ， 导 致 赋 值 为 2 的 栅 格 不 连 续 。 但 该 障 碍 物 在 下 一 圈 的 覆 盖 过 程 中 会 被 机 器 人 前 方 的 接 触 传 感 器 检 测 到 。 机 器 人 将 仍 然 采 取 右 侧 沿 物 体 边 界 行 走 的 方 式 绕 障 碍 物 运 动 ， 直 到 前 方 重 新 出 现 赋 值 为 2 的 栅 格 ， 机 器 人 才 会 回 到 原 规 划 路 径 上 继 续 覆 盖 。 对 于 常 见 的 单 个 矩 形 环 境 ， 应 用 该 算 法 可 以 从 环 境 边 界 向 内 螺 旋 完 成 覆 盖 ［ 3 1 - 3 3 ］ 。 4 ） 粒 子 群 优 化 算 法 。 1 9 9 5 年 ， K e n n e d y 和 E b e r h a r t 提 出 了 粒 子 群 优 化 （ P a r t i c l e S w a r m O p l i m i z a t i o n ， P S O ） 算 法 。 在 P S O 算 法 中 需 要 初 始 化 一 群 随 机 粒 子 ， 然 后 这 些 随 机 粒 子 将 追 随 当 前 的 最 优 粒 子 在 解 空 间 中 搜 索 ， 即 通 过 迭 代 找 到 最 优 解 ［ 3 4 ］ 。 根 据 P S O 算 法 ， 李 爱 国 等 ［ 3 5 ］ 提 出 了 一 种 并 行 双 层 结 构 的 M A U V 协 同 路 径 规 划 算 法 。 该 算 法 分 为 2 层 主 层 和 子 层 。 子 层 规 划 的 首 要 任 务 是 对 每 台 A U V 分 别 利 用 P S O 算 法 规 划 各 自 的 路 径 。 由 于 系 统 内 每 台 A U V 的 起 点 、 终 点 及 所 处 环 境 各 不 相 同 ， 所 以 最 终 每 台 A U V 将 产 生 不 同 的 最 优 路 径 。 主 层 规 划 的 主 要 任 务 是 对 不 同 A U V 的 路 径 进 行 最 佳 组 合 ， 使 组 合 内 的 多 台 A U V 整 体 协 同 路 径 最 优 且 彼 此 间 无 碰 撞 。 在 子 层 规 划 过 程 中 ， 随 着 迭 代 次 数 的 增 加 ， 标 准 的 P S O 算 法 将 出 现 陷 入 局 部 最 优 和 算 法 后 期 收 敛 速 度 缓 慢 的 问 题 。 为 解 决 这 些 问 题 ， 首 先 ， 需 采 用 自 适 应 参 数 动 态 调 整 P S O 算 法 中 的 惯 性 权 重 因 子 w 以 及 学 习 因 子 c 1 和 c 2 ， 并 选 择 适 当 的 路 径 规 划 评 价 函 数 ， 用 以 得 到 每 台 A U V 的 最 优 路 径 。 然 后 ， 应 利 用 结 合 差 分 进 化 （ D i f f e r e n t i a l E v o l u t i o n ， D E ） 算 法 的 主 层 规 划 来 计 算 系 统 整 体 的 M A U V 协 同 最 优 路 径 ， 即 通 过 D E 算 法 的 变 异 、 交 叉 和 选 择 得 到 多 台 A U V 之 间 无 碰 撞 （ A U V 与 障 碍 物 ， 以 及 A U V 之 间 ） 且 系 统 消 耗 最 小 的 组 合 最 优 路 径 。 最 后 ， 对 适 应 函 数 进 行 评 估 ［ 3 6 ］ 。 3 M A U V 集 群 协 同 技 术 执 行 任 务 时 ， M A U V 编 队 中 的 各 A U V 应 保 持 一 定 的 队 形 ， 并 与 编 队 中 的 其 他 A U V 保 持 一 定 的 空 间 距 离 。 M A U V 编 队 控 制 可 以 借 鉴 移 动 机 器 人 及 水 面 船 舶 的 编 队 控 制 方 法 ， 例 如 基 于 领 航 者 跟 随 者 、 基 于 行 为 和 基 于 虚 拟 结 构 等 方 法 ［ 3 7 - 3 8 ］ ， 具 体 如 下 。 1 ） 基 于 行 为 法 。 基 于 行 为 的 控 制 方 法 即 通 过 设 计 机 器 人 的 基 本 行 为 及 局 部 控 制 规 则 ， 从 而 产 生 期 望 的 整 体 行 为 。 编 队 控 制 器 由 一 系 列 行 为 组 成 ， 每 个 机 器 人 有 基 本 的 行 为 方 式 ， 每 种 行 为 方 式 有 自 己 的 目 标 或 任 务 。 一 般 情 况 下 ， 机 器 人 的 行 为 包 括 避 碰 、 避 障 、 驶 向 目 标 和 保 持 队 形 等 。 避 碰 即 运 动 过 程 中 避 免 机 器 人 之 间 发 生 相 互 碰 撞 ， 避 障 即 动 态 环 境 下 编 队 机 器 人 在 运 动 过 程 中 避 免 碰 到 障 碍 物 ， 保 持 队 形 是 编 队 控 制 中 最 基 本 的 独 立 行 为 ［ 3 9 ］ ， 驶 向 目 标 即 实 现 预 先 指 定 的 状 态 。 B a l c h 和 A r k i n 首 次 6 0downloaded from www.ship- 第 6 期 提 出 了 基 于 行 为 的 控 制 方 法 ， 并 利 用 2 个 循 环 策 略 设 计 了 保 持 队 形 的 行 为 控 制 器 。 C a o 等 ［ 4 0 ］ 提 出 了 子 行 为 加 权 综 合 的 控 制 实 现 方 法 ， 即 对 每 个 子 行 为 分 别 求 出 控 制 变 量 ， 然 后 加 权 平 均 求 得 综 合 的 控 制 变 量 。 2 ） 人 工 势 场 法 。 人 工 势 场 法 即 通 过 设 计 人 工 势 场 和 势 场 函 数 来 表 示 环 境 及 队 形 中 各 机 器 人 之 间 的 约 束 关 系 ， 应 用 机 器 人 所 受 到 的 障 碍 物 斥 力 和 目 标 点 引 力 来 构 造 势 场 ， 并 以 此 为 基 础 进 行 分 析 和 控 制 ， 机 器 人 则 将 从 平 面 得 到 的 最 小 势 谷 中 选 择 运 动 方 向 。 该 方 法 的 优 点 是 计 算 简 单 且 便 于 实 时 控 制 ， 特 别 是 可 以 有 效 处 理 障 碍 物 约 束 的 避 障 避 碰 问 题 ； 缺 点 是 势 场 函 数 难 以 设 计 ， 且 存 在 局 部 极 值 点 问 题 。 L i a n g 等 ［ 4 1 ］ 在 障 碍 物 环 境 下 提 出 了 非 完 整 移 动 机 器 人 基 于 势 场 函 数 的 分 布 式 控 制 器 。 这 种 分 布 式 控 制 器 能 够 保 证 编 队 机 器 人 达 到 预 设 队 形 ， 同 时 避 免 相 互 碰 撞 以 及 与 障 碍 物 之 间 的 碰 撞 ［ 4 2 ］ 。 3 ） 跟 随 领 航 法 。 跟 随 领 航 法 即 在 M A U V 集 群 中 指 定 某 台 机 器 人 为 领 航 者 ， 其 余 为 跟 随 者 ， 跟 随 者 将 以 一 定 的 间 距 跟 踪 领 航 机 器 人 的 位 置 和 方 向 ［ 4 3 - 4 4 ］ 。 该 方 法 可 以 指 定 一 个 或 多 个 领 航 者 ， 但 只 能 指 定 一 个 群 体 队 形 的 领 航 者 。 跟 随 领 航 者 法 有 2 种 控 制 器 形 式 l - l 控 制 器 和 l - ψ 控 制 器 。 l - l 控 制 器 考 虑 的 是 3 台 机 器 人 之 间 的 相 对 位 置 问 题 ， 一 旦 跟 随 者 与 2 个 领 航 者 之 间 的 距 离 达 到 设 定 值 ， 即 可 认 为 整 个 队 形 实 现 了 稳 定 状 态 。 而 l - ψ 控 制 器 的 目 标 是 使 跟 随 者 与 领 航 者 之 间 的 距 离 和 相 对 转 角 达 到 设 定 值 ［ 4 5 ］ ， 可 利 用 跟 随 领 航 编 队 控 制 方 法 ， 将 水 下 机 器 人 编 队 控 制 问 题 转 化 为 跟 随 者 利 用 水 听 器 跟 踪 领 航 者 位 置 和 航 向 的 问 题 。 针 对 M A U V 编 队 中 某 台 机 器 人 的 通 信 或 机 械 故 障 ， 建 立 一 种 编 队 容 错 控 制 算 法 ， 可 在 机 器 人 出 现 故 障 后 自 动 重 新 调 整 编 队 ， 避 免 故 障 机 器 人 的 后 继 机 器 人 掉 队 ， 由 此 实 现 编 队 的 容 错 控 制 ［ 4 6 - 4 7 ］ 。 4 ） 虚 拟 结 构 法 。 虚 拟 结 构 法 主 要 应 用 于 飞 行 器 和 人 造 卫 星 的 编 队 飞 行 控 制 中 。 该 方 法 的 特 点 是 机 器 人 之 间 可 以 保 持 一 定 的 几 何 形 状 ， 这 样 形 成 的 刚 性 结 构 称 为 虚 拟 结 构 。 虽 然 每 个 机 器 人 相 对 于 参 考 系 统 的 位 置 不 变 ， 但 其 可 以 按 照 一 定 的 自 由 度 来 改 变 各 自 的 方 向 。 M A U V 将 刚 体 结 构 上 的 不 同 参 考 点 作 为 各 自 的 跟 踪 目 标 就 可 以 形 成 一 定 的 队 形 首 先 ， 需 定 义 虚 拟 结 构 的 期 望 动 力 学 特 性 ； 然 后 ， 将 虚 拟 结 构 的 运 动 转 化 为 每 个 机 器 人 的 期 望 运 动 ； 最 后 ， 得 出 机 器 人 的 轨 迹 跟 踪 控 制 方 法 ［ 4 8 - 5 0 ］ 。 5 ） 模 型 预 测 控 制 方 法 。 传 统 控 制 方 法 一 般 适 用 于 具 有 明 确 模 型 和 确 定 性 环 境 的 控 制 ， 而 实 际 应 用 中 的 环 境 一 般 都 是 动 态 变 化 的 ， 而 且 具 有 不 确 定 性 ［ 5 1 ］ 。 模 型 预 测 控 制 （ M o d e l P r e d i c t i v e C o n t r o l ， M P C ） 即 基 于 动 态 环 境 变 化 和 过 程 的 不 确 定 性 ， 反 复 采 用 有 限 优 化 结 果 代 替 全 局 优 化 结 果 ， 由 此 实 现 优 化 与 反 馈 的 理 想 结 合 以 及 对 信 息 的 充 分 利 用 。 通 过 在 线 滚 动 优 化 并 结 合 实 时 信 息 的 反 馈 校 正 ， 即 可 基 于 实 际 过 程 进 行 每 个 时 刻 的 优 化 ［ 5 2 ］ 。 4 研 究 展 望 M A U V 系 统 对 增 强 我 国 海 洋 资 源 探 测 能 力 ， 提 高 我 国 海 洋 国 土 的 防 御 能 力 具 有 深 远 的 政 治 意 义 、 经 济 意 义 和 战 略 意 义 ［ 5 3 - 5 4 ］ 。 目 前 ， 在 M A U V 路 径 规 划 和 集 群 协 同 控 制 研 究 方 面 ， 主 要 存 在 以 下 研 究 难 点 ， 这 也 是 后 续 研 究 的 发 展 方 向 。 1 ） M A U V 动 态 自 适 应 技 术 。 获 取 了 海 洋 环 境 不 确 定 模 型 后 ， 应 研 究 水 下 航 行 器 集 群 网 络 如 何 通 过 动 态 自 适 应 的 编 队 来 获 得 整 体 的 最 优 性 能 ， 主 要 研 究 内 容 包 括 水 中 通 讯 受 限 、 编 队 内 航 行 器 个 体 间 的 信 息 异 步 传 输 等 问 题 ； M A U V 编 队 网 络