目前,世界各国都在积极发展深海技术,特别是近几年来随着计算机技术和通信技术的高速发展,深海领域引入这些高新的科技发展进程大大加快。未来深海科技的主要方向如下:
高度智能化:由于深海的工作环境的复杂化和不可预知性,因此深海平台系统应该不断的改进和完善自身的智能体系结构,加强系统的应对变化的能力,提升系统的自主学习的能力,使深海平台拥有更好的自主性和适应性。深海平台的自主性和适应性主要由系统的人工智能技术、集成控制技术和软件系统的性能决定的。目前,人工智能技术主要是人工神经网络技术和基于符号的推理技术,两项技术各有优缺点,因此,将两项技术结合开发利用可以提高系统的学习和适应能力。对于系统软件的设计和系统集成控制方面,很多国家都在进行研发,主要集中在以下几个方面:多传感器信息的融合和识别,兼容性好的软件结构体系,潜水器的闭环运动控制技术等等。
导航与定位技术:深海平台上的探测与导航设备就是平台的“眼睛”,平台在深海工作时完全依靠探测和导航设备的收集的信息来进行航行和定位的。深海平台能否航行到指定地点进行作业和完成指定的任务,导航技术起到了至关重要的作用。目前的深海平台的导航设备主要有惯性导航系统、GPS系统、多普勒速度仪等。目前的深海平台多采用多种技术组合的导航方式,即利用GPS定位系统结合水下声波定位的方法进行定位,利用惯性导航系统、多普勒速度仪和卡尔曼滤波器等等设备结合声纳和摄像机拍摄的图像数据进行导航。但是,目前在多种设备的数据融合方面还存在着不足,需要继续的完善。同时一些国家在开发新型的导航技术,如海底地形匹配导航和重力磁力导航技术等等,都是发展导航技术的新的方向。
通信技术:深海平台的通信联络是多个平台之间信息交换的主要方式。目前深海平台的通信方式主要有水声通信和光纤电缆通信两种,其中利用光纤电缆通信属于有线通信,它是利用电缆和光缆作为传输媒介来传递信息,它的特点是传输信号速度快、可靠性高,但是需要有光缆和电缆来连接两个工作单位,这就限制水中平台的作业范围和灵活性;而水声通信属于无线通信方式,它的作用距离取决于使用设备的载波频率和发射功率,它的传输速度比较低,传输信息的距离也十分有限,同时水声通信受到环境的影响也很大。研究水声通信是目前各个国家的发展的重点,他们主要集中于研究水声高速度、远距离传输技术和传输安全性等问题。目前美国还研制成功了利用激光在水中进行通信,其主要利用的是蓝绿激光通过空中单位发射与水下100米左右深度的潜水器进行通信,但是距离应用到深海平台上还有一定的距离。
平台协作技术:多水中无人深海平台协同技术作为无人平台的新的应用方式出现,得到了很多国家的重视。多无人平台协同工作可以更可靠、更快速地完成但平台难以完成的任务。多个平台协同工作涉及到各个平台之间的通信交互、信息融合、协同控制等等方面的问题,下面就这些关键技术进行分析。
1.多平台系统的体系结构问题
多个水中无人平台构成的系统的结构十分复杂,不仅仅是将多个平台简单的集合起来形成一个整体,而是要建立起一个合理有效的系统体系结构,使各个平台能够充分的发挥它们各自的效能,使得系统的整体效能之和大于各平台效能的总和。选择合适的体系结构是研究整个无人平台系统的前提,它的结构框架和控制机制决定了整个系统的构成和功能,是整个系统的基础。多平台系统的结构研究主要包括两个方面:一是系统中单个平台的结构,而是多个平台间的组织结构。这两个方面也是未来研究多平台系统的两个主要方向。
2.传感器管理技术
多个深海无人平台可以携带多种不同的传感器,在协同执行任务的时候可以利用多个传感器去进行探测,然后将各个传感器收集的信息进行整合可以得到更多、更全面的探测信息。那么如何协调管理这些传感器,充分利用他们收集的信息资源是研究多平台协同工作的一项关键技术。多个平台协同工作时能够利用通信网络将各个传感器收集的信息共享给网络中的每个单元,这样可以扩大整个系统的探测范围,提升了每个平台的观测能力。将这些传感器合理的分配和管理,将极大地提高整个多无人平台系统的作战能力。传感器的管理包括空间管理、时间管理和模式管理。对于传感器的管理,首先是根据作战的任务将传感器的任务进行合理的规划,即是根据任务内容决定传感器的分配和任务的分配;然后利用控制指令指导各个传感器去完成任务。
3.水声通信网络技术
水声通信网络技术是整个多个水中无人平台系统构建的关键技术,也是目前很多机构研究的主要方向。多水中无人作战平台能否成功的组成协同作战系统以及能否顺利的完成既定的任务都取决于是否拥有良好的水声通信网络技术。由于水下环境的复杂多变,使得水下通信受到了很多的限制。作为水下主要通信手段的水声通信的传输的距离、传输效率和可靠性都受到了水下环境的影响,因此设计良好的通信方案和合理的水下网络结构都是克服水声通信不足的必要方法。这些问题都需要进一步的研究。
4.智能协调与控制技术
多水中无人深海平台一起执行任务的时候,如何管理多个单元,多个单元之间如何协调工作,这些问题都需要有效的协调与控制技术来解决。管理这些协同的单元涉及到任务的分配机制、资源冲突的解决方案、协调控制方案等等问题,将这些问题合理的解决将使整个系统资源得到合理的配置,各个单元之间协调地工作,整体效能得到很大的提升。
在整个多平台系统中研究智能协调与控制技术的目的就是为了使多个平台能够组合成一个整体,在这个体系中能够协调的配合工作。多无人平台能够顺利地合作需要是明确的组织方式,而运动和工作中能够协调地运作需要的是合理运作机制。只有解决好这两个基本点,才能够真正地提高多平台系统的协调与控制技术水平。
5.多水下平台数据融合技术
多水中无人平台系统的最明显的优势就是能够将多个平台的传感器的信息共享给整个系统中的各个单元,使得环境更加透明化。如何将多个平台共享的信息融合,形成每个平台都能够识别的信息数据则是实现信息共享所必须要解决的问题。这个问题涉及到数据描述的一致性、多数据融合技术、计算机数据库技术和信息过滤技术等等问题,这些都是解决这个问题的关键。对于同构系统来说,他们采用的是相同的探测设备,在该问题上比较容易解决;但是,对于异构系统来说,系统中的多个平台的结构不同,使用的设备收集的信息模式也不同,如何将多种模式的数据信息融合过滤形成能被所有平台识别的数据是必须要解决的问题。同时,水下的特殊环境也给水中数据传输制造了很大的麻烦,这也为多水下无人平台的数据融合早成了很大的困难。
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