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2025, 40(1):214-222. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.0344

[摘要](283) [HTML](670) [PDF 3.17 M](1911)

摘要:
无人船在拥挤水域中自主航行时,大量的其他船舶与静态障碍物、海洋环境扰动和无人船的不确定动态加剧了无人船的碰撞风险.针对此问题,设计无人船智能避碰决策与航迹跟踪控制方案.首先,根据无人船航行水域中其他船舶和静态障碍物的数量评估拥挤程度,并将其引入现有的船舶碰撞风险度评估函数,合理评估拥挤水域中无人船的碰撞风险;然后,创建双向长短时记忆神经网络,根据由无人船在过去有限时域内的航迹跟踪控制信号和驶过航迹组成的输入序列,估计在未来有限时域内基于无人船运动数学模型标称参数的无人船航迹预测误差.通过在线更新神经网络权重,使估计的航迹预测误差可被用于修正由无人船的不确定动态和遭受的海洋环境扰动导致的航迹预测误差,实现具有自学习能力的无人船航迹智能预测;最后,基于模型预测控制思想,求解以最小化无人船剩余航行距离和碰撞风险为目标,以无人船动态、无人船与其他船舶和静态障碍物的安全距离为约束的优化问题,获得避碰操纵的期望航迹和航迹跟踪控制信号.仿真和仿真结果表明,在所设计的智能避碰决策与航迹跟踪控制方案下,无人船自主航行的实际距离更短,与其他船舶的碰撞风险更低.

2 基于改进瞪羚优化算法的UWSN三维定位算法

付雷，王骥

2025, 40(1):80-86. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2023.1617

[摘要](254) [HTML](617) [PDF 1.84 M](1838)

摘要:
为解决三维空间中的水下无线传感器网络(underwater wireless sensor networks, UWSN)传统DV-Hop算法定位误差大的问题,提出一种基于改进瞪羚优化算法(improved gazelle optimization algorithm, IGOA)的UWSN三维定位算法(IGOADV-Hop).首先,通过双通信半径修正节点跳数,对锚节点间的距离误差进行加权修正;然后,在瞪羚优化算法引入Logistic映射初始化种群,增加种群多样性;接着,在开发阶段引入位置更新动态权重系数,提升节点位置计算的全局寻优能力;最后,使用IGOA替代最小二乘法进行节点三维坐标计算,并在网络中加入移动节点和水下噪声构建动态UWSN.仿真实验结果表明,与传统DV-Hop算法和其他群智能优化算法相比,所提出算法定位精度更高.

3 欠驱动无人船路径跟踪: 一种有限时间正切漂角视线制导方法

王宁，贾薇，吴浩峻

2025, 40(1):187-195. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.0336

[摘要](333) [HTML](636) [PDF 639.90 K](1834)

摘要:
海洋环境复杂多变,为提升欠驱动无人船(underactuated marine vehicle,UMV)的自主航行与故障应对能力,提出基于有限时间正切漂角视线制导的指令滤波路径跟踪控制策略.在包括内部动力学未知、时变大漂角和执行器故障的复杂情况下,该策略可使UMV在有限时间内遵循所需的路径.首先,构建有限时间漂角观测器,用于快速精准地估计时变大漂角;随后,引入有限时间正切漂角视线制导律,不仅能提升制导性能,还能有效避免因非光滑制导指令产生高频震荡导致UMV失稳;此外,通过采用有限时间指令滤波控制技术降低计算负担,并提出滤波补偿方案减少滤波误差;最后,基于径向基函数神经网络和有限时间理论,设计自适应有限时间容错路径跟踪控制器,使得UMV的纵向速度和艏向角跟踪误差在有限时间内能够收敛到原点附近的小邻域.仿真实验验证了所提出方案的有效性和优越性.

4 基于自适应反正切非奇异终端滑模的水下机械臂轨迹跟踪控制

范亚洲，孙林祥，白雪剑，赵艺楠，惠晓龙，王宇

2025, 40(1):205-213. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.0341

[摘要](328) [HTML](728) [PDF 1.35 M](1828)

摘要:
针对水下机械臂的末端轨迹跟踪控制问题,提出一种自适应快速反正切非奇异终端滑模控制器.首先,基于莫里森方程建立考虑水作用效应的水下机械臂动力学模型;其次,结合非奇异终端滑模控制和反正切函数特性,设计一种快速反正切非奇异终端滑模控制器,并基于径向基神经网络预测系统的未知扰动;然后,通过李雅普诺夫理论验证所提控制方法可在有限时间内收敛到期望位置;最后,通过仿真实验验证所提控制方法的有效性.

5 基于改进人工势场法的欠驱动无人船编队协同避碰避障

李伟，张永超，宁君，马昊冉，刘陆，彭周华

2025, 40(1):252-260. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.0391

[摘要](328) [HTML](763) [PDF 859.11 K](1526)

摘要:
提出一种基于改进人工势场法且带有输入量化的欠驱动无人船编队协同避碰避障策略.借鉴导弹制导与控制机理,分层设计无人船运动学制导律与动力学控制律.首先,基于辅助变量法在无人船运动学子系统中设计分布式制导律,并引入改进人工势场法的斥力函数.通过重构制导律实现运动学层面的协同避碰避障以及欠驱动无人船期望轨迹的跟踪;其次,通过使用径向基神经网络对无人船动力学子系统中的外界干扰和系统未建模动态进行逼近,采用均匀量化器对输入变量进行量化并对量化过程进行线性描述,使得底层量化控制器无需预测关于量化参数的具体信息;在稳定性分析中,利用李雅普诺夫稳定性理论证明所设计USV编队跟踪控制系统的稳定性;最后,采用Matlab对理论策略进行仿真实验,仿真结果验证了所提出策略的有效性.

6 基于改进灰狼群优化算法的水下机器人海底电缆定位算法

黄文超，温锦嵘，徐哲壮

2025, 40(1):87-94. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.0016

[摘要](426) [HTML](655) [PDF 3.02 M](1292)

摘要:
随着海上风力发电和光伏发电的快速发展,海洋输电工程的地位越来越重要,海底电缆的应用也越来越广泛.获得精确的海底电缆位置不仅有利于日常巡检,而且提高了故障检测的效率,因此,海底电缆的路由定位和故障检测将会是未来维护和维修的重要环节.由于海底电缆的小直径和内部电流的变化性,导致定位准确度的下降以及定位难度的上升.针对上述问题,首先,基于海底环境和水下机器人,利用三芯铠装海底电缆的电缆结构推导海底电缆外磁场的近似方程;然后,水下机器人根据检测到的磁感应强度值进行姿态调整,在此基础上,提出一种基于改进灰狼优化算法(improved grey wolf optimization, IGWO)的海底电缆定位算法,利用基于磁通密度模的适应度函数,设计一种用于海底电缆探测的在线路径定位方法;最后,通过仿真实验验证了IGWO算法实现海底电缆定位的精确性和有效性.

7 水下无人系统跨域协同控制:研究进展与挑战

闫敬，张诗杭，关新平，杨晛，罗小元

2025, 40(1):7-27. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.0283

[摘要](1251) [HTML](2044) [PDF 14.01 M](912)

摘要:
水下无人系统跨域协同控制,旨在通过传感器融合、跨域通信、数据处理等技术和方法,突破水下单一传输介质限制,实现水下物理单元跨域信息交互和任务协同.它是未来海上无人系统发展的趋势,对提升海上无人系统智能化与自主化至关重要.目前,水下无人系统跨域协同控制理论研究尚不成熟,在任务部署、信息交互、路径规划与多机控制等层面面临诸多亟待解决的难题.鉴于此,详细阐述了海空跨域协同下的水下无人系统架构与主要特征,分析了水下无人系统跨域协同控制面临的挑战与关键问题;梳理总结了水下无人系统跨域协同国内外发展现状;综述了水下任务部署、信息交互、导航制导与协同控制层面的研究进展.最后,对水下无人系统跨域协同控制未来值得深入探究的方向,进行了总结与展望.

8 水下/水面信息物理系统感知-通信-控制理论及其应用专刊序言

闫敬，关新平，刘妹琴

2025, 40(1):1-6. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.1318

[摘要](344) [HTML](1523) [PDF 402.13 K](724)

摘要:

9 基于全驱系统方法的AUV鲁棒自适应轨迹跟踪控制

王鹏，钱承，张柳柳，华长春

2025, 40(1):285-291. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.0440

[摘要](354) [HTML](805) [PDF 612.07 K](706)

摘要:
针对存在执行器故障、外界干扰和模型不确定的自主式水下潜航器系统(autonomous underwater vehicle, AUV),提出基于全驱系统(fully actuated system,FAS)方法的鲁棒自适应轨迹跟踪误差受限控制策略,使AUV能够渐近跟踪目标信号.首先,将跟踪误差相关的归一化函数和障碍函数与时变尺度函数相结合,提出误差受限全驱系统方法;其次,将径向基函数神经网络(radial basis function neural networks,RBFNNs)与误差受限全驱系统方法相结合处理系统中的不确定模型;进一步,设计自适应补偿机制处理执行器故障;再次基于Lyapunov稳定性理论证明轨迹跟踪误差渐近收敛于零;最后,通过仿真结果验证所设计的鲁棒自适应轨迹跟踪误差受限控制器的有效性.

10 基于贝叶斯和统计相似度量测的水下自主定位方法

黄浩乾，吕奥奇，王迪，张昱曈

2025, 40(1):48-54. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2023.1593

[摘要](184) [HTML](367) [PDF 6.43 M](405)

摘要:
复杂的水下环境通常会引起信号传播延迟或带来量测野值,从而产生量测丢失和非高斯噪声问题,导致水下自主定位的精度降低.为了解决这些问题,提出一种基于贝叶斯推断和统计相似度量测的水下自主定位方法.首先,该定位方法使用最大后验估计方法来判断量测丢失是否发生.如果接收到此刻的量测信息,则采用不动点迭代方法最大化统计相似度量测的下界,以逼近真实的噪声协方差矩阵,从而获得更准确的状态估计和误差协方差矩阵;如果没有接收到量测信息,则只输出一步预测的状态估计和误差协方差矩阵,以提高该方法的鲁棒性.仿真和海试实验验证结果表明,所提出的水下自主定位方法相较于其他的定位方法具有更高的定位精度和更好的鲁棒性.

11 基于SCI-CA模型的船舶纵摇多维多步预测方法

王宇超，赵洵，杨周琦，傅荟璇

2025, 40(1):64-70. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2023.1701

[摘要](250) [HTML](554) [PDF 2.72 M](399)

摘要:
海洋环境复杂多变,船舶航行容易受到风浪、洋流等因素的干扰,船舶运动具有非线性、耦合性等特点.针对传统的船舶运动姿态预测方法对时序数据的提取效率尚有不足,难以达到高精度预测效果的问题,提出样本卷积交互-通道注意力(SCI-CA)神经网络船舶纵摇运动预测模型.该模型采用多类别船舶运动姿态数据作为输入,将输入拆分为两个子序列,利用样本卷积交互网络(SCI)的递归下采样卷积交互结构,结合多分辨率聚合而成的丰富特征,提高船舶运动数据深层特征的利用率.再通过通道注意力机制(CA)提高有效通道的权重比例,并以残差结构输入到全连接层,得到最后的预测结果.实船数据验证结果表明,SCI-CA组合模型预测结果较其他模型预测精度高,其平均绝对百分比误差(MAPE)、均方根误差(RMSE)均有明显降低,验证了SCI-CA模型预测船舶运动的有效性.

12 基于单双目融合的AUV坐落式回收光视觉引导算法

祝志坤，卢丙举，李一辰，王凯，于文彬

2025, 40(1):28-37. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.0346

[摘要](310) [HTML](596) [PDF 6.66 M](397)

摘要:
自主水下航行器(AUV)在任务进行过程中或完成后需通过自主回收实现能源补充与数据下载等操作,是否能进行高效、精准地回收引导决定了AUV的回收效率,成为其能否广泛应用的关键.针对AUV坐落式回收过程中的近距离光学引导定位问题,提出一种基于深度学习的单双目位姿测量算法.首先,面向恶劣的水下光学成像条件,结合暗通道先验去雾和YOLO v9目标检测网络,实现一种可适应不同水质、光照强度且鲁棒性强、可靠性高的引导光源提取算法.同时,针对回收过程中的特征匹配问题,设计一种不依赖于AUV速度的全向特征匹配算法,实现3D-2D特征匹配.此外,针对坐落式回收典型的多阶段引导特点,分别基于PnP原理和SVD分解设计面向不同阶段的单、双目引导定位算法.最后,基于多次仿真和实物实验,验证算法在精确位姿估计方面的可行性和有效性.

13 多参数未知下水声传感网由粗到精的定位方法

鲜江峰，马俊领，吴华锋，梅骁峻，谭拂晓，张媛媛，陈信强，王维军

2025, 40(1):38-47. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.0521

[摘要](185) [HTML](485) [PDF 1.03 M](379)

摘要:
水声传感网(underwater acoustic sensor networks,UASNs)是水下物联网的主要技术,为海洋生态环境监测和水下搜救等应用提供了较好的技术手段和信息感知平台.在UASNs应用中定位至关重要,因为没有精确位置信息的数据收集将无利用价值.然而,由于存在路径损耗、吸收损耗、设备发射功率不确定以及水下环境参数未知等不利因素,使得在复杂动态海洋环境中实现鲁棒精确定位较为困难.为此,提出一种多参数未知下水声传感网由粗到精的定位方法(coarse-to-fine localization method for UASNs under unknown multi-parameters,CFL-UMP).首先,利用一阶泰勒级数展开和若干近似操作,将原非线性非凸定位问题转化为交替非负约束最小二乘框架;然后,粗定位阶段基于Golub-Kahan双对角化的最小二乘残差(LSMR)算法求解得到位置估计近似解,然而LSMR通常只能快速收敛到局部最优解,因此在精细定位阶段引入二分法,将第1步粗估计得到的近似解作为二分法的初始值,通过迭代同时得到水下目标位置、路径损耗因子以及发射功率的精确解;接着,为了验证CFL-UMP算法的优越性,分析CFL-UMP算法的计算复杂度,并推导出克拉默-拉奥下界;最后,与所选基准算法相比,通过仿真结果证实了CFL-UMP在不同水下模拟场景中均能获得最优的定位精度,且能够有效降低水下定位误差.

14 基于自适应视距制导的无人潜航器三维协同路径跟踪控制

王浩亮，于德智，卢丽宇，张卫东，彭周华

2025, 40(1):242-251. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.0350

[摘要](203) [HTML](439) [PDF 931.66 K](378)

摘要:
针对跟踪路径复杂、立体空间运动、模型参数动态变化、风浪流扰动下的多无人潜航器(unmanned underwater vehicle,UUV)协同路径跟踪问题开展研究.首先,针对UUV跟踪复杂路径情形设计自适应前视距离策略,使得UUV可以更好地跟踪复杂水下路径;其次,针对立体空间运动的UUV集群,设计三维视距制导律和协同控制律引导UUV集群在三维空间中沿参数化路径运动;最后,针对模型参数动态变化、风浪流扰动影响下的UUV集群,设计自抗扰控制器实现对动态变化模型、总扰动信息和速度信息的统一估计,保证动力学控制的稳定性.仿真结果验证了所提出基于自适应视距制导的无人潜航器三维协同路径跟踪控制方法的有效性.

15 客货混运下高铁运行图与货物配装方案协同优化

米雷，卢亚菡，杨立兴，戚建国

2025, 40(1):308-316. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2023.1749

[摘要](216) [HTML](866) [PDF 580.75 K](377)

摘要:
客货混运新模式为我国高速铁路运营管理带来了新的机遇和挑战.鉴于此,以最小化列车停站时间、货物滞留数量和运营成本为目标,以列车到发时刻、动车组编组和货物配装计划为决策变量,为客货混运下高铁运行图与货物配装方案协同优化问题构建一类整数线性规划模型.为验证模型的有效性,以京沪高速铁路为背景进行数值实验,并调用CPLEX软件求解.结果表明:在尽可能减小对客运服务影响的前提下,所提出方法能够通过灵活决策列车时刻表及增加列车编组,提高列车运力;与采用固定列车时刻表的货物配装优化方案相比,协同优化方法能够在小幅增加列车停靠时间的情况下大幅提升货物运输量,可为相关运营部门制定客货混运计划提供一定的理论支撑.

16 基于颜色线模型和多尺度融合的水下图像增强

梁秀满，赵治刚，于海峰，刘振东，李鑫滨

2025, 40(1):162-169. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.0094

[摘要](121) [HTML](327) [PDF 54.68 M](371)

摘要:
针对水下图像出现蓝绿色偏、雾化和噪声等问题,提出一种基于颜色线模型和多尺度融合的水下图像增强算法.首先,设计一种局部自适应颜色校正方法对退化图像进行预处理,提高图像颜色线拟合效果并降低图像色偏的程度;然后,构建一种利用颜色线和背景光矢量求解偏置来估计透射率的凸优化算法,求得准确的模型参数来恢复图像实现图像去雾;接着,将预处理后的图像利用白平衡算法来补偿颜色的深度选择性吸收所造成的偏色,将白平衡处理后的图像分别利用伽玛校正和基于颜色线约束的噪声抑制算法进行处理,分别得到提高全局对比度和抑制噪声的图像;最后,对去雾、对比度增强和低噪声图像进行多尺度融合,得到特征丰富的水下增强图像.实验结果表明:所提出方法能够有效解决水下图像的色偏、雾化和噪声现象;相对于各对比算法,在水下彩色图像质量评价指标和峰值信噪比上分别提高了18.37%和42.16%,更好地保留了水下图像的颜色并降低了图像噪声.

17 基于自适应特征模式分解与联合卷积的UUV辐射噪声识别方法

肖启阳，黄澳飞，金勇，魏倩

2025, 40(1):155-161. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.0013

[摘要](121) [HTML](533) [PDF 3.86 M](359)

摘要:
针对水下小型UUV难以检测识别问题,提出基于自适应特征模式分解与联合卷积网络的UUV辐射噪声识别方法.首先,采用自适应特征模式分解(AFMD)对信号进行处理,获取一系列分解分量,根据基尼指数(GiNi index)选取最优分量进行重构;然后,对重构后的信号进行连续小波变换,获取不同类型辐射噪声的二维时频图;最后,在频率动态卷积模块和SGE(spatial group-wise enhance)模块基础上,引入特征融合模块构建联合卷积神经网络(JCNN),利用所设计网络提取二维时频图特征,实现水下无人潜水器辐射噪声分类.实验结果表明,所提出方法能够对水下UUV辐射噪声进行识别,且识别率较高.

18 DoS攻击下质量切换无人艇动态记忆事件触发动力定位控制

赵颖，郭世旭，黄进

2025, 40(1):292-299. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.0510

[摘要](163) [HTML](358) [PDF 626.59 K](357)

摘要:
研究非线性质量切换无人艇在拒绝服务攻击下的动态记忆事件触发动力定位控制问题.首先,建立一个切换模糊模型描述非线性质量切换无人艇系统,该模型同时考虑了船舶的非线性特征及质量变化行为;然后,提出一个包含记忆项的动态记忆事件触发机制,该机制可利用动态变量的历史信息调整触发阈值,进一步节约有限的通信资源,在此基础上,构造基于该动态记忆事件触发机制的控制器以补偿海洋扰动;接着,利用多Lyapunov函数策略给出拒绝服务攻击下质量切换无人艇系统动态记忆事件触发动力定位控制问题的可解性判据,在拒绝服务攻击下,所提出控制方案能够应对网络攻击导致的通信中断问题,确保质量切换无人艇在恶劣网络条件下仍能保持动力定位性能;最后,以一艘质量切换船为例,验证了该控制方案的合理性.

19 弱通信条件下多水下自主航行器分布式编队轨迹规划

宋逸哲，刘妹琴，董山玲，郑荣濠，魏平

2025, 40(1):71-79. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.0306

[摘要](207) [HTML](419) [PDF 680.41 K](348)

摘要:
针对随机通信时延和时变通信拓扑条件下的多水下自主航行器编队轨迹规划问题,将随机梯度上升算法引入分布式模型预测控制方法中,提出一种在线分布式轨迹规划方法.首先,通过采样贝塞尔曲线,将轨迹规划问题转化为一系列优化问题.然后,通过拉格朗日对偶函数法分布式求解,在完成点对点轨迹规划任务的同时保持成员间通信连接.最后,基于拉格朗日对偶理论框架推导出所提出算法的收敛速度与最大通信时延的定量关系,通过在仿真场景下与现有方法的对比实验验证所提方法的可行性和有效性,并通过仿真实验探究水下自主航行器自身运动误差及定位误差对轨迹规划的影响.

20 无人机领导的多无人艇系统固定时间优化编队控制

向雨竹，邹文成，郭健，向峥嵘

2025, 40(1):223-230. DOI: 10.13195/j.kzyjc.2024.0345

[摘要](311) [HTML](406) [PDF 467.40 K](345)

摘要:
针对多无人艇(unmanned surface vessels,USVs)编队系统中USV视野受限等问题,提出一种以无人机(unmanned aerial vehicles,UAV)作为多USV编队领导者的模型.针对UAV领导的多USV系统水空协同编队问题,设计一种固定时间的优化编队控制算法.在对USV、UAV进行三自由度动力学建模的基础上构建增广系统,并建立一个以优化控制输入及编队误差为目标的性能指标函数.所提出的辨识器-执行者-评价者结构的强化学习算法中,辨识器可以精确辨识系统中的未知非线性动态,通过评价者完成对最优性能指标函数值的评估、执行者更新控制策略两个步骤不断优化控制策略以逼近最优,进而利用Lyapunov方法证明UAV-USV系统编队误差能在固定时间内收敛.最后,通过仿真模拟验证了所提出算法的有效性.

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