Fig.1 Concept diagram of CADRE system
1.2.2 WiMUST-用于地震勘测的AUV舰队
WiMUST[6](widely scalable mobile underwater sonar technology) 项目旨在设计和测试协作自主水下航行器系统以简化地震勘测并提供相比于现代拖缆方式的显着优势。WiMUST系统的主要新颖之处在于使用海洋机器人来捕获地震数据而不是传统的拖缆。
项目利用UUV集群牵引小型孔径短拖缆。UUV充当可重新配置的移动声学网络的感测和通信节点，并且整个系统表现为用于记录数据的分布式传感器阵列，数据通过支持船装备的声源射向海床和海底地层的强声波而获得，如图2所示。
图2 WiMUST系统工作方式
Fig.2 Work mode of WiMUST system
1.2.3 欧盟Grex项目
由欧盟资助的研发项目GREX[7](2006-2009)促进了多航行器协作的理论方法和实用工具的发展，缩小了概念与实践之间的差距。由该项目资助研发的技术一方面通用性很强，连接预先存在的异构系统。另一方面鲁棒性很强，能够应对由通信错误引起的问题。
2008年夏天至2009年末，该项目针对“协调路径跟踪”和“合作视线目标追踪”任务进行了3次海上试验。航行器间使用预设的时分媒体访问 (time division medium access, TDMA) 同步架构交换导航数据，允许每分钟5次交换大约20 Bytes的压缩数据包，同时避免数据包冲突。在有效通信条件下实现了编队航行 (如图3所示) 和向指定目标聚集等任务。
图3 4架航行器的编队航行轨迹
Fig. 3 Formation trace of 4 UUV
除去以上项目以外，还有很多其他已经取得成功或仍在进行中的UUV集群项目：如美国海洋研究局资助的自主海洋采样网络 (autonomous ocean sampling network, AOSN)[8]；美国新泽西海湾布设的大陆架观测系统 (the new jersey shelf observing system) [9]；由欧洲委员会资助启动的Co3-AUV自主水下航行器的协同认知控制项目[10]；由北约水下研究中心和麻省理工学院完成的通用海洋阵列技术声呐 (generic ocean array technology sonar, GOATS)[11]项目; 英国 Nekton 研究机构开发的水下多智能体平台 (underwater multi-agent platform, UMAP)[12]等项目。
通过分析以上项目实例可以发现，国外的UUV集群项目以实用性为主，从实际应用角度出发，提出所面临的问题，并通过理论结合实践的方式寻找解决办法；项目研究更侧重系统稳定性和可扩展性的研究，在此基础上去寻找实现概念设想的方法。
2 UUV集群发展关键技术
2.1 集群智能控制算法
集群智能控制算法是集群系统的核心技术，是控制各个单体活动并能将它们联系起来形成一个系统合作执行任务的关键。受自然界群体行为的启发，已有很多智能控制算法被提出，但是由于海底复杂环境和恶劣通信条件的限制，很多算法不能直接被移植到UUV集群应用当中。因此现有智能算法在海洋环境的应用以及适用UUV集群的新智能控制算法的开发仍是未来UUV集群发展的关键所在。
现阶段对集群控制算法的研究主要还是集中于对已有智能算法的改进，例如严浙平[13]在已有单、多智能体强化算法的基础上，提出一种融合了Nash—Q、CE—Q及WoLF—PHC等算法主要思想的多智能体Q学习算法，并将这种算法用于多AUV系统的控制。另外，集群控制算法的研究通常都是针对某一特殊任务或者目标，引入智能算法以达到优化控制器的目的。例如文献[14-19]分别针对UUV集群的路径跟踪、编队控制和协同围捕等问题，将适合的智能算法引入到海洋环境中，并根据不同问题所存在的不同客观条件对算法进行一定的改进。以上方法基本概括了目前主流的UUV集群智能算法研究方法：将已有智能控制算法针对海洋环境和特定任务进行改进，比较常用于集群控制的算法有：蚁群算法[20-21]、人工势场法[22]、粒子群算法[23]；另外强化学习和机器学习等方法[24-27]也一直有学者对其进行集群控制应用方面的研究。UUV集群发展相对较晚，改进已有算法是一种效率较高的方法，但不应该局限于此，文献[28]提出了一种模块化、可扩展的应用于异构多UUV编队协调问题的架构。文献中对硬件扩展时的软件配合扩展升级的研究是值得参考的研究方向。海洋环境的复杂性给UUV的研究增加了很多限制和挑战，同时也为UUV研究创造了更多的可能性，在参考已有研究成果的同时应该根据具体情况和相关理论知识探索更适合的智能控制算法。
2.2 通信网络设计
远距离通信、大容量通信、高质量通信、强抗干扰性和保密性是对UUV通信系统的基本使用要求。目前UUV的主要通信方式有：光缆通信、卫星通信、无线电通信和水声通信。其中水声通信由于其衰减慢可实现远距离水下通信的特点最适用于UUV集群中成员间的相互通信。但是水声通信存在带宽有限和传输速度慢且信道不稳定等缺点，有通信延迟和数据丢包等问题。因此在特定的环境条件限制以及没有更好的通信手段的情况下，通信网络的合理设计是一种提高水下UUV集群间相互通信效率和可靠性，从而更好地协作完成任务的可行方法。
