自主式水下滑翔机专利分析

作者 | 国家知识产权局专利分析普及推广项目自主式水下滑翔机课题组

自主式水下滑翔机（Autonomous Underwater Glider，下称AUG）是一种控制自身浮力的变化在海中上浮或者下潜的同时进行滑翔运动的海洋工程装备。AUG在航行时不需要额外的动力驱动装置，仅靠浮力驱动自身运动的特性，能够极大地节约能源消耗，持续观测时间一般长达几个月，续航能力可达上千公里，在海洋参数监测、水下搜索、监视、侦查、导航和反潜作战等方面具有重要作用。

基于行业发展需求，国家知识产权局专利分析普及推广项目自主式水下滑翔机课题组从专利概况、特色分析方法、关键技术梳理及分析以及AUG发展建议四个方面，对自主式水下滑翔机进行了深度剖析。本文所涉及的专利数据检索截止日期为2019年10月12日。由于不同国家专利公布时间不同，课题组在对申请人、国别等项目比较时，为了确保数据更具有可比性，截取了申请日在2018年12月31日前的数据作为数据样本。

AUG专利快速增长

AUG全球专利申请起步于1992年，大致可分为三个阶段：1992年至2005年为萌芽期，2006年至2010年为技术储备期，2011年至今为快速发展期，其中从2013年开始AUG全球专利申请呈现爆发式增长。各国之间技术封锁较为严重，几乎没有同族申请。得益于我国“十二五”和“十三五”规划提出的海洋强国战略，我国AUG专利申请量在近几年增长迅速，全球前15位申请人，除美国海军外，其余多为中国高校院所。AUG相关技术中运动控制系统专利文献相对较多，达到了227篇，是AUG中相对较成熟的技术；组网、水声通信和导航等AUG相关技术因技术难度大、涉及军事应用、保密审查公开较晚等因素影响，目前检索到的专利文献较少。（见图1）

由于AUG独有的运动特点，运动控制系统对于AUG特别重要。此外，课题组通过企业、科研机构调研了解到AUG技术瓶颈还存在于导航、水声通信以及组网方面，上述技术的突破对于AUG发挥其自身优势具有重要作用。本文将分别对这4个关键技术进行介绍。课题组针对专利文献数量较多的运动控制技术采用常规专利分析。针对组网、水声通信和导航这三个专利文献数量较少的关键技术，通过对专利文献、非专利文献、科研立项中技术关联性线索的挖掘和验证，对相关技术进行扩展检索获得扩展专利1581项，从而对组网、水声通信和导航这三个重要技术分支进行分析。

运动控制技术梳理

运动控制系统是AUG中发展相对较为成熟的技术，以浮力驱动和姿态调整为主，以辅助推进为辅，通过改进浮力驱动和姿态调整提高控制精度是运动控制系统的研究热点。

AUG浮力驱动系统的发展大致经历了排油式浮力驱动、排水式浮力驱动、排气式浮力驱动及气液混合式浮力驱动等过程，其改进旨在提高控制精度、续航能力、设备可靠性及简化结构。为实现对浮力大小的自动调节并节约能源消耗，可压缩液体式浮力驱动系统和带补偿装置的浮力驱动系统以及气液混合式浮力驱动将会成为下一步开发和研究的方向。（见图2）

AUG姿态调整系统先后经历了传统的独立质量块姿态调整驱动系统、电池组作质心姿态调整驱动系统、液体作质心姿态调整驱动系统等过程。为进一步减少姿态调整系统的体积、提高控制精度，利用电池组作为质心调节块以及优化控制算法来提高控制精度将会是未来研究的方向。（见图3）

导航技术专利分析

AUG导航技术专利申请总体数量较少，且申请时间较晚，从最初的GPS、电子罗盘、捷联式惯性导航的多传感器组合定位向着减少传感器数量，提高定位精度，降低能耗的方向不断演进。目前AUG导航技术以组合导航和声学导航为主，技术效果逐渐向提高精度、小型化、低能耗发展。其中，AUG组合导航技术主要通过对各种数据融合算法来提高定位精度、降低能耗。（见图4）

由于AUG导航技术最初是从自主式水下航行器（AUV）导航技术发展而来的，其与其他水下航行器的导航技术具有一定的通用性，因此课题组扩展到所有水下导航技术进行研究，发现目前水下导航技术增长最快的也是组合导航与水声导航。其中水下组合导航技术的发展经历了SINS组合导航、SINS/LBS组合导航、SINS/ULBS组合导航、SINS/ULBS卡尔曼滤波组合导航等阶段，这可为AUG导航技术发展提供参考。

水声通信技术发展

水声通信技术包括：水声换能器、水声传感网络、水声信号的调制解调以及电路与硬件模块。由于AUG的运动特性和应用场景要求其具有很低的功耗，功耗高、体积大是目前水声通信技术应用于AUG的技术难点。水声换能器主要通过磁致伸缩材料和压电单晶体等换能器材料的改进提高性能，并通过换能器结构方面的改进改善波束特性、改善频率特性、提高发射声功率、增大耐静水压能力。（见图5）

美国海军是水声通信的重要申请人之一，其在水声换能器结构方面专利布局较早，从1959年开始一直持续深入研究。美国海军使用圆柱形和喇叭形壳体以及具有球面凹形的有源面和层叠结构，在2008年提出了具有模态梁的声矢量传感器，可以利用激发方式的组合实现多振动模态的叠加驱动，从而达到改变发射波束特性的目的。在材料方面，美国海军于1969年首次提出使用退火镍条构成的磁致伸缩制造换能器，并在后续对磁致伸缩材料进行了深入研究。换能器的材料不仅限于新一代磁致伸缩材料，还包括新一代压电材料。美国海军在1995年使用钛酸铅压电材料使得损耗因子大幅度降低，并且提出了新型聚合物压电材料。2016年，随着纳米材料的广泛应用，美国海军提出使用碳纳米管作为换能器的材料，在换能器材料改进方面进行了尝试。可见，美国海军经过半个多世纪的技术积累，水声换能器的技术创新较为全面，其在水声换能器方面基础性专利布局比较完善。

组网技术发展分析

从仅有的AUG组网技术专利文献来看，该技术经历了从线性通信到多节点组网通信的发展，以提高网络稳定性和降低能耗。分层结构是AUG组网时最常采用的拓扑结构，通过拓扑结构调整和路由改进缩短通信距离、降低能耗是重要研究方向之一。通过对AUG组网技术专利文献内容、引证关系、发明人追踪等挖掘技术关联性，进一步扩展到通用水下组网技术进行研究，并对网络拓扑结构和路由这两个重要分支进行分析以期为AUG组网技术发展提供借鉴。

经研究，课题组发现网络拓扑结构技术发展路径经历了线性拓扑结构、分层结构、分簇结构、自适应拓扑结构、自组网等网络拓扑结构的演变，预期自组网会成为未来研究的重要方向，而降低功耗也是近些年组网时最关注的因素，这也与通过网络拓扑结构改进降低能耗这一技术热点相印证。（见图6）路由技术发展路径经历了阈值比较法、结合粒子滤波算法、多级异构分簇、引入分层节点机制、自学习路由方法等路由技术的演变，从而试图在降低能耗的基础上进一步提高传输效率和降低延迟。

AUG专利布局建议

水下滑翔机可以借鉴自主式水下航行器（AUV）的相关技术突破导航、水声通信、组网等方面的技术瓶颈。笔者建议，未来国内相关创新主体可以考虑针对不同AUG应用场景分别发展组合导航和声学被动导航等技术，通过对水声换能器的材料和结构的改进提高换能器能量转化率，通过通信规则、网络拓扑结构和路由的优化减少水声通信量、降低能耗。

由于AUG的军用相关技术属于涉密技术，因此针对AUG军用相关技术和AUG民用相关技术应当采取不同的专利布局策略。针对军用相关技术应当严格落实保密审查机制，通过申请国防专利进行保护；针对民用相关技术应当结合产品和市场情况进行针对性的布局，并优先就民用核心技术创新成果以及应用提供充分的专利保护。