为满足深远海开发与安全保障的战略需求，具备长航时、远程、高速及低噪声等优势的大型无人潜航器成为海洋技术竞争的制高点。基于此，系统梳理大型无人潜航器的技术谱系，重点剖析其在实现综合高性能目标过程中面临的多学科总体优化核心挑战。研究表明，能源动力、声隐身、流体结构及智能控制等学科的性能指标存在深度耦合与相互制约，传统的串行设计难以实现系统全局最优。为此，构建包含当量航程、当量负载和置空率等指标的“总体性能多维度衡量体系”，将设计目标由满足性能指标转向寻求最优多维性能组合，为总体设计评估提供科学依据。在此基础上，系统归纳国际主流大型无人潜航器的总体参数与技术特点，深入分析长航时可靠性、能源瓶颈以及海洋弱观测−通信环境下自主控制等关键问题的解决路径。最后，展望大型无人潜航器向智能化、体系化、跨域协同方向发展的趋势，指出实现其性能跨越式发展的关键所在，可为大型无人潜航器的技术创新与工程实践提供系统性参考。
仿生水下航行器主要参考身体/尾鳍（BCF）推进与中央鳍/对鳍（MPF）推进这2类鱼类推进模式，其中仿蝠鲼航行器采取模仿蝠鲼利用宽大胸鳍实现弓形滑翔与交替滑扑的运动模式，在滑翔效率、扑动机动性与运动稳定性方面表现突出，已成为当前的研究热点。为此，在系统梳理仿蝠鲼航行器在蝠鲼生物学研究、单体游动水动力机理以及集群游动水动力机理等方面研究进展的基础上，总结并归纳该领域的关键研究成果与发展脉络，然后基于现有研究基础，指出仿蝠鲼航行器多模态运动水动力机理研究中存在的主要问题，并展望未来的发展方向。
旨在探究陶瓷耐压结构在深海极端环境下的内爆冲击载荷特性及热力学机理，提出基于压力−速度−温度平衡的可压缩多相流模型及自适应网格细化（AMR）算法的深海陶瓷耐压结构内爆数值模拟方法。
首先，运用所提方法实现冲击波的准确预报及流场的精细化捕捉，并开展陶瓷耐压结构水下内爆试验，以验证数值方法的有效性；然后，通过万米级陶瓷耐压结构内爆数值研究，揭示内爆冲击载荷及热效应特性；最后，开展不同水深及水温下陶瓷耐压结构内爆数值研究并分析其影响规律。
研究结果表明，深海陶瓷耐压结构内爆会向外释放冲击波，并在气体被剧烈压缩中产生显著热效应；随着环境压力的增大，内爆冲击波超压峰值系数减小，衰减速率加快；环境温度不会显著影响陶瓷耐压结构的内爆特性。
该研究揭示了深海陶瓷耐压结构内爆特性，对水下内爆的评估与防护研究具有积极的理论意义和工程价值。
旨在研究跨介质飞潜器水下直航和回转运动过程中的运动特性和流场特性。
基于计算流体力学数值模拟技术，并利用VOF多相流模型和SST k−ω湍流模型建立飞潜器水下航行数值计算模型。通过对比潜艇模型（DARPA Suboff）在不同航行速度下的总阻力试验结果和数值计算结果对数值方法的有效性进行验证。在此基础上，分别对飞潜器水下直航和回转运动过程进行数值模拟和分析，重点研究导管螺旋桨推进器旋转速度和尾鳍偏转角度对飞潜器水下直航和回转运动的影响。
结果表明：飞潜器水下直航时，航速与螺旋桨转速近似呈线性关系，如螺旋桨转速从600 r/min增加到4 800 r/min时，航速相应从1.1 m/s提升至8.1 m/s，同时负值俯仰力矩随螺旋桨转速增加而增大，但绝对值逐渐减小（俯仰力矩从−0.35 N·m提升至−0.17 N·m），表明高速航行时能够保持稳定姿态，螺旋桨转速对表面压力系数分布以及流场结构几乎不产生影响；飞潜器水下回转时，其回转半径的大小主要受尾鳍偏转角度的影响，几乎不受螺旋桨转速的影响，回转半径随着尾鳍偏转角的增大而减小（回转半径从3.35倍飞潜器长度减小到0.75倍），但减小趋势逐渐变缓，而飞潜器回转航速会受到螺旋桨转速及尾鳍偏转角的综合影响，两侧螺旋桨推力均随着螺旋桨转速和尾鳍偏转角的增大而增大，回转轨迹外侧螺旋桨推力始终大于内侧，两者差额也随着尾鳍偏转角的增大而增大；飞潜器回转过程中，尾鳍偏转引起的飞潜器回转运动导致其表面压力分布呈现明显的非对称性特征，随着尾鳍偏转角度的增加，飞潜器表面压力分布的非对称性特征逐渐明显，这种非对称性特征与其周围流场的非对称性流动密切相关。
该研究可为飞潜器构型设计及水下航行性能分析提供参考。
为了解超大型无人潜航器的声目标强度特性，以“虎鲸”（Orca）超大型无人潜航器为研究对象，系统分析1～10 kHz频段内的目标强度特性。
基于Orca模型，分别采用有限元法计算1～3 kHz频段内、采用板块元法计算3～10 kHz频段内的目标强度，并与Benchmark模型进行对比，提出角检测率是可以更全面评价无人潜航器隐身性能的指标。同时，在水箱环境开展缩比模型实验，提出实验测量目标强度的修正方法。
初步掌握了Orca模型的目标强度特性，通过对比Benchmark模型发现，Orca模型在周向方向上具有更好的隐身性能，在高频段的环向方向上也具有一定优势，并且随着频率的升高，其优势更加明显。针对水听器与换能器之间的距离不满足远场条件的情况，通过对实验测量目标强度进行修正，即可与仿真值更加吻合，验证了数值仿真结果的正确性。
研究成果可为水下探测系统优化及无人潜航器隐身设计提供理论参考。
针对多自主水下航行器（AUV）编队运动中出现的系统状态感知及传输能力受限及无位置信息交互导致可观测性不足的问题，提出一种用于编队控制的事件驱动量测−通信联合框架下基于 Lyapunov 理论的模型预测控制（ETMCU−LMPC）策略，以提升编队稳定性与跟踪精度。
首先，融合编队通信拓扑与系统状态，建立基于状态观测的事件触发机制，利用各AUV之间相对量测信息抑制水声广播失效带来的延迟与丢包，增强无位置信息交互时的系统可观测性；然后，设计基于Lyapunov理论的分布式模型预测控制（LMPC）器，采用反步法构造收缩约束保证递归可行性，并引入自适应卡尔曼滤波（AKF）补偿量测噪声，确保闭环稳定性。
对 1 艘领航、4 艘跟随共 5 艘 AUV的编队仿真表明，与传统LMPC相比，ETMCU−LMPC 方法的收敛时间由8 s 缩短至6 s，最大误差由1.12 m 降至0.36 m，稳态误差由0.57 m降至0.06 m，且控制输入更平稳。
所提方法可有效应对通信异常，提升状态感知与传输受限场景下多 AUV 编队的可靠性，具有实际工程价值。
针对多无人潜航器（UUV）编队在复杂水下环境中面临的编队保持与灵活避障难以同时实现的难题，提出一种能够自适应队形变换的全局路径规划方法。
基于仿射变换框架，将多UUV系统的协同路径规划问题映射至二维平面仿射参数空间进行求解。首先，采用一种改进的快速搜索随机树*（RRT*）算法进行前端路径搜索，该算法通过整合快速探索与迭代优化阶段、加权KD（k-dimensional）树、混合采样机制以及自适应采样参数调整，实现初始仿射状态序列的高效生成；然后，利用基于B样条曲线的后端优化器，采用梯度下降法最小化一个综合考虑轨迹平滑性、UUV运动学可行性、环境碰撞安全性以及自适应编队缩放代价的目标函数，优化得到连续光滑且满足多重约束的仿射参数轨迹。
湖上试验结果表明，所提规划方法能够生成安全、可行的编队路径，能成功引导多UUV编队穿越模拟的狭窄障碍区域，且UUV的实际速度和加速度均满足设定的可行性约束。
所提的基于仿射变换的全局规划方法能够通过自适应队形变换为航行于复杂障碍场景下的多UUV编队提供安全可行的编队路径，实现多UUV编队的安全航行，同时，也能显著提升海洋无人潜航器的自主性与环境适应性，对推动海洋无人装备技术的发展和实际应用具有积极意义。
为解决自主水下航行器（AUV）在复杂水下环境中自主对接精度不足的问题，提出一种基于多特征融合的视觉导引方法。
依托实验室自主研发的四桨无舵矢量推进型AUV，使用暗通道先验去雾算法进行图像增强，结合改进的Canny边缘检测与颜色阈值分割实现多特征融合，利用最小包围圆法进行圆心定位，通过坐标系转换解算相对位姿完成对接。
Unity 3D仿真和水池实验结果表明，均值差和均方根误差均呈现随对接距离接近而减小的距离相关性，距离越近，视觉测距越准确，对接精度越高，对接距离小于2 m时位姿精度误差小于5 cm，总体对接成功率为88%。
所提方法满足AUV自主对接任务中对接精度要求，为水下装备自主回收提供了高鲁棒性的解决方案。
针对现有水下机器人单次下潜难以兼顾大范围探测与高精度作业的痛点，设计一款可变形水下作业机器人，实现水深
首先，明确机器人总体设计指标，优化整体设计流程，完成机器人舱体及设备布置，设计变形机构（丝杆顶升机构）、耐压舱等关键结构，并基于有限元分析完成 1 000 m 水深对应的 12 MPa 压力下关键部位强度校核；其次，分析巡航模式下的续航能力与机动性能，以及作业模式下的机械臂工作空间与稳定性；最后，通过 CFD 仿真验证阻力特性，基于 Matlab 建立耦合动力学模型，验证自恢复、抗扰动及手−艇耦合抑制性能。
所设计机器人内部总体布置合理，关键部位满足 1 000 m 深海作业要求，耐压舱最大应力小于采用材料的屈服压力；巡航模式下机器人极限续航为 7 h，所搭载推进器能有效满足机器人水下灵活运动，以 6 kn 速度航行时纵向阻力仅 −725.06 N，各类工况下航行阻力明显低于作业模式，具备低阻特性；作业模式下中部浮力材料升起 270 mm，重心与浮心高度差增加 0.054 m，最大恢复力矩较巡航模式提升 202.1%，机器人具备更高的作业稳定性，其横倾自恢复时间从 180 s 缩短至 60 s，同时具备更好的抗扰动能力，双臂作业空间覆盖机体侧方、前方及下方区域，协同作业空间有效。
通过自主形态切换，提出的可变形水下作业机器人总体设计方案具备多任务的执行能力，可实现巡航模式低阻探测与作业模式高稳作业的有机结合，为深海复杂场景下的水下作业提供了新的方案。
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