簡介：無人艇作為海洋無人系統的重要一環，其應用價值和戰略意義日益增長。本文從海洋作業需求出發介紹了無人艇及艇-機協同作業面臨的一系列挑戰，并針對性地講解了目前該領域包含裝備制造、理論研究、應用示范在內的最新研究進展和突破。內容涵蓋控制、感知、集群網絡調控與無人系統路徑規劃，詳細地對自主無人艇-機集群跨域協同核心理論、關鍵技術及應用情況進行了介紹。
海洋無人系統是國家海洋強國戰略的重要使能技術之一。無人艇作為海洋無人系統的重要一環，其應用價值和戰略意義也日益增長。在重大海洋設施探測等作業過程中，往往面臨著惡劣、高強度作業水域的突發情況，對無人艇集群協同種類、抗擾能力、覆蓋廣度、目標識別精度等提出的要求日益嚴苛。傳統艇群協同技術難以做到“以突變應對突發”。同時，隨著海洋作業需求日趨復雜，水面無人艇集群拓展為海空跨域無人艇-機集群，但其高效、超穩、高精協同控制技術一直是國際性難題，尚未形成系統的理論與技術解決方案。
圖1、自主無人艇集群隊形高精度航跡跟蹤與相變調控
為解決上述難題，研究者陸續開展對水面異構無人艇集群協同裝備、理論與技術研究，聚焦于如何使無人艇能“控得穩、走得直”。船體是無人艇的外驅，目前常見的無人艇有單體、雙體結構，單體速度快，雙體航行穩，為了使無人艇能滿足內河湖、港區和近海作業需求，往往將多類異構無人艇進行編隊，協作完成指定任務。如圖1所示的航行控制器則是無人艇的內驅，目前航向和航速的耦合機理桎梏著無人艇航行的控制精度，如何對其解耦，實現兩者的高精控制是國內研究者正在討論的熱點。
在上述無人艇控制理論技術基礎上，無人艇-機集群跨域協同研究也在如火如荼地展開，主要包含以下幾個方面：1、無人艇-機集群作業隊形的相跨域協同方法和技術：其關鍵在于如何在水面運動無人艇的無人機起降、艇-機編隊跨域協同效率取得突破，解決快慢子系統的協調問題，以達到提高協同無人艇-機類型，降低水面運動艇-機自主降落誤差的目的。達到“調控靈、應對快”。2、集群協同覆蓋、多艇多源感知與高精識別跟蹤技術：對無人艇-機協同任務來說，其重點在于如圖2所示，將探測模式從平面拓展為立體，提高檢測遺落率，降低識別誤差，重點在于解決目標姿態變化、遮擋、視角畸變、粼光、雨霧、抖動等帶來的影響，做到“識得全、看得清”。目前隨著人工智能技術的發展，研究者將Transformer結構引入到目標識別領域。利用其獨有的自注意力機制，使集群自適應地對信息進行多層次、跨空間、跨時間的關聯，極大地提升了識別的精度。
圖2、自主無人艇集群協同覆蓋探測與目標識別
3、集群韌性增強技術：研究者借助機器學習對無人艇-機集群任務執行數據進行分析，精準定位網絡的崩潰臨界點，以此來實現集群故障的“點穴式”提前阻斷、增強集群韌性，實現故障自愈合。4、無人艇-機路徑規劃技術：以往借助快速擴展隨機樹、人工勢場、動態規劃、貝塞爾曲線、遺傳、粒子群優化等算法能解決簡單場景下路徑的自主規劃，但如今作業環境日益嚴峻復雜，傳統的規劃算法難以兼顧實時性、平滑性和安全性的需求。目前，研究者逐漸采取利用傳統啟發搜索等算法實時規劃最優路徑，同時結合深度強化學習算法實現復雜環境下的自主避碰的方式來突破二者的局限性。
以上就是無人艇-機協同領域當前的難點與熱點，目前國內無人艇-機集群的研究已逐漸從理論走向實現，開始逐步應用到海洋探測、海上風電場建設等重要工程，逐漸在各類重大海洋設施建設中嶄露頭角。
