摘要:

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摘要:参照蝠鲼等鱼类游动方式所研制的水下仿生扑翼机器人具有效率高、机动性强、负载能力大等多方面优势。由于其广阔的应用前景，水下仿生扑翼机器人已逐步成为水下航行器领域的研究热点。本文系统地将蝠鲼的生物学特性、机器人的结构设计、动力学模型、单体运动控制、集群运动控制以及实验研究等方面的国内外研究进展进行了总结和梳理。已有的研究表明：水下仿生扑翼机器人正在朝着软体化、集群化、 高机动等方向发展，新兴的水下仿生扑翼机器人及仿生集群能够更加精确的模拟真实生物的游动姿态，并开展相关任务。当下的研究为水下仿生扑翼机器人性能的进一步优化与提升奠定了坚实的理论与实践基础。

摘要:传统的自主水下无人航行器（AUV）主要执行包括军事活动在内的水下情报收集、环境监测和水下目标探测与处置等。近年来随着信息化技术和人工智能的发展，AUV 行业受到各界尤其是各国军方越来越多的关注，得到了快速发展和广泛应用。作为一种无人侦察平台，AUV 逐渐突破了常规尺度，向大型化和超大型化方向发展，可搭载的载荷类型和尺度有了明显的变化和提升。通过分析大型 AUV 作为侦察型装备的国内外发展现状，对利用大型 AUV 开展水面侦察的能力建设进行了分析，重点提出了大型 AUV 搭载水面侦察载荷需要解决的关键技术，为进一步提升和拓展 AUV 作战能力和作战领域提供支持。

摘要:介绍了一种来源于弱电鱼的仿生主动电场探测机制，为了优化主动电场探测方法，研究了勘探地球物理学中激发极化法的应用，认为在同样的激发条件下，水下被测物也一样存在这种激电过程。搭建实验平台环境，使用小型蓄水池模拟海水域环境，辅以成熟的仪器设备，在实验平台中分别进行直流激电法与变频激电法电场探测实验。在 2 个不同的实验中，分别设定了不同的特征关系式对实验结果进行量化分析， 每个实验分别对空白背景对照组、铜立方体、铜圆柱、铝立方体、铝圆柱与塑料圆柱体进行测试，直流激电法原理简单、还原度高，所有实验组与空白背景环境存在明显差异，且所有金属物体的激电效应都强于非金属塑料，符合理论分析。变频激电法实验相比于直流激电法没有那么明显的组间关联性与规律。

摘要:声呐图像目标检测是实现水下勘探、海底救援、敌对目标侦查等任务的重要环节，深度学习相关技术的突破为该领域的发展带来了新的机遇。基于深度学习的声呐图像目标检测算法性能优于传统方法，然而相关的系统性研究与应用仍然不足。鉴于此，利用深度学习模型数据驱动的优势设计了一种声呐图像目标检测系统，以满足实际应用对系统精度、速度、可移植性、可扩展性、部署环境的需求。该系统由数据集生成、算法模型训练与测试、模型部署应用 3 个子系统组成，应用于水下可疑目标探测任务，实验结果表明：所实现的目标检测系统在测试数据上和实际应用中均具有良好的性能。

摘要:随着人们对海洋资源的不断开发，水下探测技术的所需要求越来越高，为了综合解决水下黑暗复杂环境快速探测成像需求及装置安装便捷性问题，对一种水下主动电场探测阵列布置及其成像方法进行了研究。主要依据水下主动电场定位探测原理，仿照弱电鱼探测活动进行阵列布置，通过搭载发射电极与接收电极阵列模仿弱电鱼电场发射器官与电场接收器官实现目标探测。使用 FFT 处理信号得到各接收电极的幅值， 通过差分得到水下阵列接收信号的强度变化，再运用插值算法画出阵列强度图从而对目标物体进行二维成像。 实验对不同形状的金属物体进行探测并成像，验证了方法的可行性与有效性。

摘要:受浑浊水体自身吸收与微颗粒散射的影响，水下光学成像面临成像距离短、像质差等问题。一种基于斯托克斯参量的主动偏振成像模型被应用到水下成像去散射过程中，有效提升了目标成像探测的清晰度。相比于被动偏振成像模型，引入主动光源可以实现对入射光的偏振调制，由此可以充分挖掘目标反射光与介质光的偏振特征差异进而实现分离选通。改进的主动偏振去散射模型利用了目标反射光的偏振共模抑制效应，借助偏振斯托克斯参量 S₂ 分量实现了介质光偏振角与偏振度全局分布的准确估算。同时引入图像质量评价参数对比度 contrast 作为反馈参量，通过迭代计算实现背景噪声的最大化滤除。不同散射程度、不同类型目标的水下成像实验表明：相比于传统主动偏振成像方法，改进后的成像模型可大幅提升水下目标的图像质量，特别是强散射环境下的图像 contrast 提升超 2 倍以上。该项工作为利用偏振信息进行水下图像去散射与目标重建提供了新思路。

摘要:为了提升磁梯度数据相关成像法对不同深度的多磁性目标的成像效果，提出了一种自适应滤波方法。首先将待成像空间划分为三维规则网格，通过解析法计算位于不同网格的磁性体在观测平面的理论磁梯度，然后依据各磁性体的磁梯度数据频谱特征来决定观测数据的滤波阈值，最后将滤波后的观测数据用于相关成像。仿真模型实验表明：对于位置较浅磁性体，根据成像结果估计的磁性体中心位置与实际基本相符， 滤波处理最多减小了约 76%的误差，对于平均 1.7 m 深的多个磁性体，估计的中心位置最大误差 0.3 m，相比于无滤波处理的结果误差减小了 46%左右，信噪比不足时，对近似球体的模型仍然有较好的定位效果。说明自适应滤波在一定程度上能改善三维相关成像的分辨率，提升水下磁性目标定位的准确度。

摘要:阐述了机载激光雷达水下探测的原理与发展，包括激光雷达水下探测原理和激光雷达水下探测发展历程。对主要机载激光雷达水下探测系统进行了详细的分析，包括主流机载激光雷达测深系统及其发展趋势。在浅水小目标探测关键技术方面，对高功率密度激光器技术、高性能水下光学系统、大视场快速成像技术、小目标自主识别与精确定位技术和轻小型化技术等进行了剖析和总结。为进一步推进激光雷达水下高精度目标探测技术的发展提供参考和依据。

摘要:随着对海洋的探索与开发，水下探测技术的发展起到了重要作用。水生动物的敏感器官，如鱼类的侧线和海豹的胡须等，可感知物体运动产生的水动力尾迹。受此启发，仿生流场探测技术克服了光学与声学探测在水下复杂环境中近场感知的局限性，已成为目前的研究热点。首先，对典型水下探测技术的研究现状进行了总结。然后，解释了水下仿生流场探测的原理，总结了基于不同原理设计的仿生流场传感器的研究进展，分析了水动力流场探测方法的研究进展。最后，给出了水下仿生流场探测工作中亟需解决的关键问题，并对未来的研究方向做了进一步展望。

摘要:无人化、智能化的目标探测与跟踪是未来水下探测的必然趋势。针对水下移动小目标，通过固定位置的声呐接收的角度与距离二维信息，提出了一套自动跟踪方法。首先，对图像声呐进行恒虚警处理， 同时引入时域参量，通过在门限计算中增加之前时间的权重，抑制位置恒定的静态强背景干扰。之后，基于空间上目标的连续运动，提出了小目标的自动跟踪算法。湖试数据实验处理表明：该方法能有效抑制干扰， 实现水下小目标的自动探测跟踪。

摘要:复杂多变的水下环境会极大地干扰仿生机器鱼的正常运动和对水下信息的感知，而鱼鳍的变形在产生推进力方面发挥了关键作用。但目前对于鱼鳍如何利用自身感觉信息来对推进力进行识别和预测的研究甚少。为了解决这一问题，通过在一个柔性传感器上集成压电层和压阻层，研制出基于压电/压阻双传感模式的柔性仿鱼鳍复合传感器，并提出了一种基于复合传感器对鱼鳍产生的推进力预测的方法。建立了基于 BP 人工神经网络的推进力预测模型并进行训练，通过皮尔逊相关分析法对输入层数据进行筛选和优化，提高了模型的预测精度。实验结果证明基于 BP 神经网络及皮尔逊相关性分析的多传感层组合的推进力预测是有效可行的，同时为机器鱼水下感知能力的提升提供了新的途径。

摘要:针对多模态水陆两栖机器人作业环境复杂使得水下运动状态难以预报等难题，基于 CFD 方法求解的水动力系数，构建了机器人水下运动的五自由度动力学和运动学模型。基于机器人水下动力学模型，采用四阶经典龙格库塔法，开展了机器人直航运动及水平面回转运动数值仿真研究，并进行了水池试验验证。 试验结果数据与数值仿真结果误差均不超过 10%，验证了机器人水动力系数及五自由度动力学模型的准确性， 为水陆两栖机器人研制提供了理论与技术支撑。

摘要:水母在海洋内分布深度范围大，经过数亿年的进化，它具备极强的环境适应性，提出了一种新型仿水母软体机器人结构。为避免以往仿水母机器人的缺陷，采用快速液动网络（Fast Liquid Network，简称 FLN）构建驱动结构，采用电推杆来实现仿水母软体机器人的外伞摆动。新的设计具有全封闭结构，适合独立自主和大水深环境下运行。构建了仿水母软体机器人的总体模型，基于 Yeoh 超弹性材料本构模型对机器人进行有限元仿真优化，获得了优化的结构参数（腔室和驱动器的尺寸）。采用精密加工模具实现了软体结构的制作，采用弹簧钢片对软体结构进行刚度加强，通过各部件的联接实现了模型的系统集成。通过对原型机的测试，实现了仿水母机器人水下自主上浮运动，验证了本设计方案的可行性。

摘要:水母以其高效的运动性能和灵活的感知功能，近年来在仿生学领域受到了广泛关注，可广泛应用于海洋探测和环境治理等领域。基于仿生学原理，从模拟水母的运动特性和趋光功能的角度出发，提出了一款双驱动的仿生水母，通过基于柔性机构的仿生鳍条实现水中扑动推进，通过基于管状折纸机构实现水下喷射推进，通过双驱动结构的协同驱动设计，有效提升水母推进效率。实验结果表明：双驱动模式下的仿生水母推进效率更高，摆动推进和喷射推进的最大推进力之比约为 2.7︰1，最大运行速度可达 100 mm/s，能够实现灵活的水下全向运动。模拟水母趋光特性，结合机器学习算法构建趋光控制系统，能够实现水下的趋光运动。

摘要:机器人的协同编队问题是一个综合性的研究课题，主要包括编队策略及路径规划 2 个阶段。针对单一机器人在未知水下环境中执行任务时能源受限等问题，提出一种基于改进蚁群算法的安全域协商捕捉策略，以解决多仿生机器人系统水下环境中对目标的协同编队捕获问题。机器人随机搜索过程中发现目标后， 利用安全域协商策略，实现目标机器人周围捕获点的分配；采用改进的蚁群算法实现编队过程的路径规划和自适应避障。在不同大小的障碍物环境中进行仿真实验，并与经典的路径规划算法进行对比，实验结果表明： 所提出的策略能够使机器人在复杂的水下障碍物环境中完成高效的协作编队捕捉任务，具备有效性。

摘要:水下无线传感器网络为海洋资源勘探、海洋灾害预警、海洋权益维护和海洋安全防御等提供了重要助力。然而，利用传统蓄电池对传感器进行供电的方式，需要定期充电或更换蓄电池，难以保证长时间持续可靠工作，介电弹性体能量收集技术原位供电成为解决这一难题的有效途径。目前，面向水下能量收集的介电弹性体发电机（DEG）存在能量收集性能低的问题，针对该问题，通过构建的 DEG 理论模型，研究不同参数下 DEG 的动态响应和能量收集性能，以探究提高其能量收集性能的方法。结果表明：增大负载电阻或提高 DEG 拉升阶段在其周期中所占时间比可以增强其能量密度。研究结果能够为增强介电弹性体水下能量收集性能提供新途径。