主 讲 人：徐德民院士、潘光教授

讲座主题：水下无人系统的发展现状与技术展望

讲座时间：2018年9月3日

讲座地点：海大展馆报告厅

2018年9月3日16时，王宁老师组织我们参加了徐德民院士、潘光教授“水下无人系统的发展现状与技术展望”讲座，刚刚步入研究生学习就能有如此宝贵的机会去学习、了解水下无人系统的发展现状以及未来的发展方向的技术展望。

讲座伊始潘新祥校长为我们介绍了徐德民院士、潘光教授的科研成果以及所作贡献，随后徐德民院士表达了对我们学校的美好祝愿，并谦虚的表达希望今后能够再来大连海事大学交流、学习。徐老拥有无数荣誉，他的科研成果更是大大推动了我国水下无人航行器的发展，如今他依旧谦虚稳重，带领诸多优秀科研人员为全身心的推动水下无人系统的发展。他的成果与态度都值得我们晚辈虚心学习。

西北工业大学航海学院院长潘光教授在讲座正式开始后，首先介绍了海洋在经济、政治和军事上对于一个国家的举足轻重的战略意义。回望历史，海洋军备力量薄弱的中国在与西方列强的较量中吃尽了苦头，历史时刻都为我们敲响着警钟。中国拥有近300万平方公里的海域与3.2万公里长的海岸线，其中大陆岸线为1.8万公里，名列世界第6位。海洋资源极为丰富，海洋生物资源、海洋矿产资源、海洋可再生能源资源等都储量丰富。当前一轮的海洋竞争是以高科技为依托的军事竞争、经济竞争和科技竞争，海洋科技水平和创新能力在未来的海洋竞争中将占据主导地位。如今我过科技快速发展，海洋装备力量今非昔比，但与世界顶尖还有一段距离，况且周边国家至始都觊觎我国宝贵的海洋资源，美国也依靠自己强大的海洋力量对我国虎视眈眈。今年来我国海域内的历史遗留问题日渐深刻，钓鱼岛问题、南海问题等问题的解决迫在眉睫，美国驻韩的“萨德”系统更是对我国的挑衅。随着我国海军部队的加强建设，水下无人系统的建设也渐渐被提上日程。由于水下环境的特殊性，各国的研究水平别没有巨大的差别，所以现在大力发展水下无人系统的建设更有可能实现“弯道超车”，在水下无人系统的建设中成为世界顶尖。

潘光教授为我们简单介绍了无人水下系统（ＵＵS）尤其是无人水下航行器（ＵＵＶ）的发展近况，并详细讨论了自主水下航行器（ＡＵＶ）相关的关键技术，并对其发展趋势做出分析。其中以日本、瑞典、美国、英国最为出色，尤其是美军还制定了详尽的发展计划。各国水下无人系统在海洋资源勘察、水下搜救、沉船打捞的军事领域的表现都值得我们借鉴。

目前最值得思考与学习的主要有以下几个方面：

1．水下无人系统的部署方式：水下无人系统中最基本最常见的就是水下无人航行器，人们在一不仅仅局限于传统的航行器。目前国外提出了预置式水下系统、配合核潜艇式布放系统、先进可布放系统和空投式布放系统。

（1）预置式水下系统：顾名思义就是该系统提前布置与水中，在一定潜伏期后，操纵人员对其遥控，发射水下无人航行器或无人机，并在任务执行结束后进行回收。可应用于军事的监测与打击，对水下生物水下信息的定期采集等，水下待机能力和回收技术是目前要解决的工作难点。

（2）配合核潜艇式布放系统：一种是依赖潜艇的鱼雷发射管对水下航行器进行释放与回收，美军将NMRS系统的AUV改进，其外形与鱼雷相似。它在工作中与母舰采用声信号通信，回收过程中与母舰距离接近时由声信号转为光电信号通信，回收的最后阶段要依靠鱼雷发射管中的机械手将其回收到发射管中。另一种是美国着手研发的Manta无人作战平台，该平台外观相似蝠鲼，待机时外挂与潜艇外体，收到指令后可脱离母舰实现单独打击作战能力。目前来讲，要想摆脱对机械手的依赖，可行性太低，该类系统的主要发展方向是续航能力的增加、航行器的小型化和隐形功能的实现，以及航行器在母舰中的充能方式，有线式还是无线式，是否今后可以实现靠近母舰就可以实现无线充电，从而节省母舰紧凑的空间等，都式值得我们思考的。

（3）先进可布放系统：先进可布放系统(ADS)由4个互联的阵列安装模块(AIM)组成，布放时由濒海战舰按照顺序释放阵列安装模块（AIM），AIM减速着陆后释放投放航行器（DTV），后者调整压重，保持高度和航向，按照预设路线展开体内的光缆和水听器阵列，实现对潜艇和水面舰船的探测跟踪，监测水雷布放等。

（4）空投式布放系统：相比于其他部署方式，采用空投进行部署可大大减少所用的人力物力，大大提升部署效率。虽然空投方式在地面部队较为常见，但针对海洋这个特殊的环境还有很多问题有待解决。低空空投时如何快速调整入水姿态，以及采用何种入水方式；高空空投时，高速入水带来的强大冲击力如何抵消，无人水下航行器的强度问题，入水空泡问题如何解决。

2．标准化、模块化，体系化：设计和研发通用平台对于UＵＶ的发展和应用有着重要的意义。若对UＵＶ进行标准化、模块化和系列化设计，当需要搭载不同任务载荷执行不同任务时，只需在一种或较少的几种UＵＶ的基础上进行修改，即可使之适应不同的环境和任务指标。

  (1) 标准化：UＵＶ 平台的标准化包括航行器构型、机械和电气接口、元器件、零组件、软件等的标准化设计，实现量产后将大大减少成本，提高UUV寿命。如何选制最合适的材料、构型、零部件等是实现标准化的重要步骤。

（2）模块化：将UＵＶ 个体的功能载荷、导航控制、能源、动力推进、稳定操纵等部分进行模块化设计。

（3）系列化：美国海军将ＡＵＶ 划分为４个等级———单兵便携式、轻型、重型和超大型。国内系列的AUV也分为超小型、小型、中型、大型和超大型五种。各国都在推进水下无人系统的系列化发展，不过系列化的实现要以标准化与模块化的发展为基础。

3．无人水下航行器的构型：当前阶段航行器主要以回转型和扁平型为主，新发展的有仿生型、组合（捆绑）型等。仿生型水下机器人发展迅速，推进技术包括扑翼推进方式、摆尾鳍推进方式、波浪推进方式等。以美国Manta无人平台为例，它在生态上就是模仿蝠鲼在水下行进从而实现自身的推进。仿生智能作为终极发展目标以及热门项目，在近些年来热度很高。

4．关键技术：材料技术、减阻技术、耐压壳体结构技术、能源及动力推进技术、导航与定位技术。

（1）材料技术：目前，ＡＵＶ 头部常采用复合橡胶材料，壳体常用铝合金材料，内部结构件大都采用非金属复合材料。近年来兴起的复合材料具有高比强、高比模、耐高温、韧性好、抗腐蚀与耐磨损等特性，且密度较小，可以通过降低水下航行体的质量相对地降低航行能耗，有利于增加航程，已广泛应用于ＡＵＶ （鱼雷、诱饵、侦察器、靶雷、反鱼雷）等各种军民用产品上。其中硼／铝复合材料具有高强度、低密度的特性，性能优于常用的铝合金，是一种较为理想的ＡＵＶ 壳体材料。

（2）减阻技术：物体在水中运动的阻力比在空气中大８００倍，尤其对于细长回转型ＵＵＶ，摩擦阻力占总阻力的８０％以上。因此减小阻力，特别是摩擦阻力，可以节约能源，增大航程，提高航速。减阻技术按边界层与流体接触表面的弹性大小，可分为刚性表面减阻技术和柔性表面减阻技术。刚性表面减阻技术常使用与流体接触的表面为刚性的表面减阻材料，或直接在刚性表面处添加有利于减阻的其他介质，如目前研究比较广泛的脊状表面减阻技术、聚合物添加法、低表面能涂料、微气泡法和随形波表面法等；柔性表面减阻技术采用的减阻材料与流体接触的表面为柔性，具有小的弹性模量和较大的变形能力。柔性表面减阻技术作为一种近似的仿生研究模型，具有减阻效果明显、不需要反馈原件和响应元件，且不需要额外能量供给等优点；同时柔性表面对边界层的湍流噪声有削弱作用，有利于ＵＵＶ提高隐身能力。

（3）耐压壳体结构技术：新型耐压壳体结构主要有球形结构、藕节型结构、外肋加强圆柱结构和夹层结构。

（4）能源及动力推进技术：目前ＡＵＶ使用的能源与动力推进系统主要有４个类型：电化学能源动力系统、热动力系统、混合动力推进系统和新型动力推进系统。近年来，几种新型动力推进系统引起了人们的关注。包括太阳能动力系统，以及水下仿生学特种推进技术包括扑翼推进方式、摆尾鳍推进方式、波浪推进方式等。同时水下滑翔技术也是当前热门的研究方向之一，它通过液压或温差的驱动来改变重心，促使ＵＵＶ在垂直面内运动，进而通过滑翔翼产生水平方向的动力，进行水平运动。

（5）导航与定位技术：水下导航与空中导航相比，具有工作时间长、环境复杂、信息源少、隐蔽性要求高等特点，技术难度更大。航位推算技术、惯性导航技术、声学导航j技术以及组合导航技术。

4．未来发展方向：10公斤及以下的微型机、集群化协同工作、仿生智能、自主控制与智能化。

（1）微型机：微型机隐蔽性更好、灵活程度更高、能够进入狭窄区域完成特殊作业。但实现微型机的建设也有很多问题要解决，续航力、搭载能力、强度、工作稳定性等等。

(2) 集群化协同工作：集群化协同工作具有哦高效率、强容错性等特点，工作形式灵活，可执行单机器无法完成的复杂任务，可缩短工作时间，扩大工作范围。目前的集群化协同工作主要有两种形式，一种是母机生成指令再下发个各个子机进行执行，另一种是平行式，各自完成不同任务。

（3）自主控制与智能化：自主智能控制技术作为实现水下无人系统自主性和智能化的核心技术，对水下无人系统执行任务的能力起着决定性作用，其实现将大大提高水下无人系统对复杂环境中的适应能力和全球海域工作能力为实现水下无人系统的智能化，应主要研究海洋环境自适应控制，智能自主规划与决策，智能信息融合，智能容错控制和智能分布式协作控制。

5．总结：对于水下无人系统的主要研究应集中在以下４个方面；

（１）提高持续工作能力，实现长航时、远航程工作。

（２）提高ＵＵＶ 的自主性和智能化水平，满足多元应用领域对ＵＵＶ提出的具备多种功能、执行多种任务的要求。

（３）提高ＵＵＶ对复杂环境的适应能力和全球海域工作能力，提高在大深度和两极海域的工作效率。

（４）提高多ＵＵＶ 协作系统的性能，从而提升ＵＵＶ应对复杂任务的能力。