摘 要：随着水下无人潜航器技术的发展和日渐成熟，单一水下无人潜航器已不能满足需求的发展，这就使多水下无人潜航器以集群的形式互相协作执行任务成为了水下无人潜航器发展的必然趋势。本文从军事领域和民用领域两方面介绍了国外主要水下无人潜航器集群项目，包括项目设立目标和发展情况；分析了水下无人潜航器集群的一些关键技术的国内外研究现状和发展趋势，主要包括集群智能控制、通信网络设计、任务规划、路径规划、编队控制和导航定位等方面；最后对水下无人潜航器集群系统发展做出展望。
水下无人潜航器(unmanned underwater vehicle，UUV)从20世纪60年代[1]诞生以来，经历了很大的发展。从最初的遥控潜器 (remolely operated underwater vehicle,ROV) 发展到无人无缆并有一定自主性的AUV (autonomous underwater vehicle)。AUV不依赖母船提供动力、机动性强、活动范围大、作业效率高等特点[1]使其逐步成为各国研究者的主要研究对象，其各项技术得到了很好的发展，并在海洋资源勘探、侦查监视、反潜等民用和军事领域得到了很好的应用。
随着UUV技术日渐成熟，它所面临的任务的难度和复杂度也有很大提升，单一UUV已不能满足需求的发展。这就使多UUV以集群的形式互相协作执行任务成为了UUV发展的必然方向，同时也对UUV任务规划、路径规划等关键技术提出了新的要求，并促进了集群智能、编队控制等适应集群发展方向的技术的应用。
相比于单体UUV，集群有以下突出优势[2]：1) 集群系统利用单体自主性能够实现集体决策以及群体级稳态;2) 集群系统可扩展性很高，个别群内成员的增减不会对系统造成决定性影响;3)由于集群系统具有高度可扩展性和稳定性，所以集群系统鲁棒性较强；4) 集群相比于个体最突出的特点是能够完成个体无法独自完成的任务。本文将重点介绍UUV集群的发展现状和关键技术，为其将来的发展提供参考。
1 主要的UUV集群项目
1.1 军事领域
各国对UUV的研究正在向集群化的方向发展，并已被应用在军事领域。2016年英国在“Unmanned warrior” 军事演习中直观的展现了UUV集群在军事作战中的关键作用和未来潜力。
1.1.1 持续濒海水下监控网络项目 (PLUSNet)
PLUSNet (persistent littoral undersea surveillance network) [3]是由美国海军研究办公室 (ONR)赞助的一个多机构合作项目，旨在推进沿海监控技术发展，目标是探测和跟踪燃油潜艇。该项目使用固定和移动水下平台，包括具有检测系统的底部节点，具有拖曳阵列的UUVs，以及带有声学和环境传感器的水下滑翔机。节点组织成集群，与其他集群协同工作，进行大范围的行动。除检测、分类和跟踪等基础功能外，该项目还在自主性、环境适应性和网络结构3个关键技术领域取得了研究进展。
1.1.2 协作自主的分布式侦察与探测系统(CADRE)
CADRE (cooperative autonomy for distributed reconnaissance and exploration)[4]系统是协调水下无人航行器的异构集合的框架，用于自主执行面向目标的任务。该系统的开发旨在解决美国海军UUV总体规划中提出的海底搜索和调查 (undersea search and survey, USS) 以及通信与导航救援 (communications and navigation aid, C/NA) 功能， 其关键属性是可扩展性和模块化。
CADRE系统包括一个自主水下航行器网络 (AUV，也称UUV) 和自主水面航行器 (ASV)，它们自主地同时进行广域海底反水雷 (MCM) 侦查，同时保持高精度导航和定位。多模式通信架构在CADRE系统中起着至关重要的作用，允许系统中的UUV彼此之间还有与各种支持平台保持联系。
CADRE系统在海底地雷对抗任务的背景下开发，因此对该系统进行了2个关键反水雷任务方案的验证：1) (365.6～914) m×20 nmile的狭长区域(如图1所示)；2) 10 nmile×10 nmile的广域范围。2种方案均在保持严格的导航精度和协同定位要求的前提下进行。
1.2 民用领域
1.2.1 Cocoro自主水下航行器集群
2011年，奥地利Ganz人工生命实验室的研究人员发布了当时世界上最大的水下无人航行器集群：CoCoRo自主水下航行器集群[5]。该项目由欧盟资助，Thomas Schmickl领导，由41个UUV组成，可以协同完成任务，其主要目的是用于水下监测和搜索。该集群系统在其行为潜力方面具有可扩展性，可靠性和灵活性。研究人员通过受到行为学和心理学启发的实验来研究集体自我认知，从而允许量化集体认知。
图1 CADRE系统概念图
