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2018年  第13卷  第6期

《中国舰船研究》2018年第6期目录
《中国舰船研究》编辑部
2018, 13(6): 0-0.
摘要:
[1]海上无人装备关键技术与智能演进展望…金克帆,王鸿东,易宏,刘旌扬,王健(1)[2]马尔科夫理论在无人系统中的研究现状…严浙平,杨泽文,王璐,岳立冬,潘晓丽(9)[3]深海爬游机器人概念及关键技术分析…陈虹,王心亮,魏伟,刘智,马哲松,郑超,唐平鹏(19)[4]无人水面艇在水上交通安全监管中的应用…李峰,易宏(27)[5]对转桨推进的高速水下航行体实尺度自航计算与分析…黄永生,杨晨俊,董小倩(34)[6]自主式水下机器人水下对接技术综述…郑荣,宋涛,孙庆刚,国婧倩(43)[7]无人水面艇收放技术发展趋势探讨…张晓东,刘世亮,刘宇,胡晓芳,高超(50)[8]多自主式水下机器人的路径规划和控制技术研究综述…赵蕊,许建,向先波,徐国华(58)[9]一种基于人工势场多AUV集群的实时避障方法…徐博,张娇,王超(66)[10]未知环境中无人驾驶船舶智能避碰决策方法…王程博,张新宇,张加伟,刘硕(72)[11]大尺度欠驱动高速AUV导航系统研制…翟云峰,王冠学,徐国华,陈柱,张鑫(78)[12]基于遗传算法和分数阶技术的水下机器人航向控制…赵蕊,许建,王淼,向先波,徐国华(87)[13]自主式水下机器人控制系统及声呐目标识别…张家敏,曾庆军,朱志宇,戴晓强,姚金艺(94)[14]无人船集群队形重构的目标任务分配…吕光颢,彭周华,王丹,窦伟滔(101)[15]基于改进蚁群算法的多自主式水下机器人任务分配…刘瑞轩,张永林(107)[16]水下安全检测与作业型机器人控制系统…张光义,曾庆军,戴晓强,朱春磊,凌宏杰(113)[17]AUV主动应急自救机制与策略…陈柱,徐国华,王冠学,刘炎,翟云峰,郑煜(120)[18]水下滑翔机浮力调节系统研制…杨海,刘雁集(128)[19]基于浮力调节系统的AUV水底着陆策略研究…孙庆刚,郑荣,杨斌,李默竹(134)[20]船舶动力装置智能诊断系统设计…张跃文,孙晓磊,丁亚委,孙培廷(140)[21]基于DPC-GMM算法的船舶燃油系统故障诊断…魏一,张跃文,李斌(147)[22]有人/无人机协同反潜作战模式探析…徐梁,潘宣宏,吴铭(154)[23]固定翼无人机反潜战概念及典型反潜战载荷…苏金涛(160)
总体与性能
海上无人装备关键技术与智能演进展望
金克帆, 王鸿东, 易宏, 刘旌扬, 王健
2018, 13(6): 1-8. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01293
摘要:
近年来,海上无人装备技术发展迅速,尤其是人工智能技术的发展,使海上无人装备的功能以及性能有了极大的突破。为了明确人工智能技术在海上无人装备应用的研究方向以及演进路线,首先,对国内外海上无人装备技术的发展现状进行综述,随后,分析实现海上无人装备的关键技术。在此基础上对海上无人装备的智能化水平提出一套等级划分标准,并详细定义不同智能等级装备的作业能力以及特点。通过分析,明确了各级之间演进的关键技术。可为海上无人装备的发展路线提供理论基础。
马尔科夫理论在无人系统中的研究现状
严浙平, 杨泽文, 王璐, 岳立冬, 潘晓丽
2018, 13(6): 9-18. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01199
摘要:
随着人工智能技术的发展,无人系统面临的任务愈发复杂,通常要求系统在未知环境下自主完成给定任务。为了解决无人系统在未知及不确定性问题方面的规划与决策,可以利用马尔科夫理论进行建模与估计,解决在无人平台中任务决策与规划、目标跟踪与识别,以及平台系统间通信等复杂问题。分别介绍马尔科夫理论在无人机(UAV)、无人车(UGV)以及自主式水下机器人(AUV)中的研究进展以及应用现状,指出当前存在的问题,并展望未来的发展趋势和研究热点。
深海爬游机器人概念及关键技术分析
陈虹, 王心亮, 魏伟, 刘智, 马哲松, 郑超, 唐平鹏
2018, 13(6): 19-26. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01241
摘要:
深海机器人是深海工程领域的重要装备。对比分析目前已研制的深海机器人的特点,以深海复杂海底大范围移动和精确稳定探测作业为应用目标,提出一种既可在深海游动又可在海底爬行的新型爬游机器人概念,并对爬游机器人方案、技术指标和主要特点进行介绍。在分析其使用环境和运行特点的基础上,提出不同于传统水下机器人的爬游机器人特有的关键技术问题,包括运动姿态调节、多肢多关节协同抗扰流、低能耗运动规划、运动关节高压密封以及总体集成与优化等。最后,介绍这些关键技术问题的研究进展。
无人水面艇在水上交通安全监管中的应用
李峰, 易宏
2018, 13(6): 27-33. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01220
摘要:
水上巡航和处置突发事件等水上交通安全监管具有监管水域广、应急反应快、救助能力要求高等特点,而无人水面艇具有自主化水平高、航速快、抗风险能力强等特征,为使其顺利进入水上交通安全监管领域,需开展无人水面艇水上交通安全监管应用探索研究。在简述无人水面艇发展和主要功能定位的基础上,分析水上交通安全监管特点,论证无人水面艇在水上交通安全监管中的潜在应用。无人水面艇具有综合成本低、抗风险能力强、智能化程度高、反应速度快等优势,符合水上交通安全监管工作的各项要求,能够在水上交通安全监管广泛应用。
对转桨推进的高速水下航行体实尺度自航计算与分析
黄永生, 杨晨俊, 董小倩
2018, 13(6): 34-42. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01118
摘要:
  目的  为了实现对转桨(CRP)推进的高速水下航行体自航因子的数值预报,  方法  建立实尺度航行体阻力、自航及对转桨敞水的RANS模拟方法,进行阻力和敞水计算精度验证,分别采用准定常和非定常方法进行自航模拟,并对自航因子进行分析和比较。  结果  模型尺度的计算与试验比较表明,航行体阻力计算误差小于3%,对转桨推力、扭矩计算误差分别小于2%和4%;实尺度阻力计算结果与基于模型试验的预报结果相差约3%;实尺度自航计算得到的自航因子值均在合理范围;自航因子的准定常与非定常计算结果之差小于2%,说明准定常方法适合于工程应用。  结论  研究方法可为对转桨设计提供较准确的输入数据,可为提高设计精度、缩短设计周期提供技术支撑。
结构与装置
自主式水下机器人水下对接技术综述
郑荣, 宋涛, 孙庆刚, 国婧倩
2018, 13(6): 43-49, 65. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01182
摘要:
自主式水下机器人(AUV)作为水面支持平台和海底空间站以及深海长期观测系统之间的重要纽带,其水下对接技术一直以来都是国内外的研究热点。在归纳、分析国内外AUV水下对接技术如水下箱(笼)式对接、机械手或载体辅助式对接、杆类引导对接、平台阻拦索式对接和喇叭口式引导对接技术的基础上,介绍各种AUV对接技术的实现方法和结构原理,以及对接技术的发展现状与趋势。并针对目前应用较为广泛的喇叭口式引导对接方式,详细介绍一种针对重型AUV的水下对接系统。经试验验证,该系统模块化强,对横滚姿态要求低,适用于多种尺寸AUV,对接系统的对接成功率高。所做工作可为今后AUV水下对接技术的发展提供参考。
无人水面艇收放技术发展趋势探讨
张晓东, 刘世亮, 刘宇, 胡晓芳, 高超
2018, 13(6): 50-57. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01258
摘要:
无人水面艇(USV)是当前无人系统研究的热点领域之一,由于USV收放技术涉及到回收引导、对接、挂脱钩等难点而成为目前的前沿研究课题。通过收集整理国内外现有及在研USV的收放技术要点,归纳出USV收放操作过程通常采用吊放式、艉滑道式、坞舱式3种收放装置。在此基础上,从设备配置、空间需求、波浪影响、母船航速、适应海况、操作情况和收放耗时等方面,分别对上述3种USV收放技术进行对比分析,得出艉滑道式收放技术更适合于USV收放需要的结论。同时,指出当前USV及其收放装置在实现自主收放时需要开展的实用化研究方向,期望能对USV及其收放技术的发展起到一定的指导作用。
机电与控制
多自主式水下机器人的路径规划和控制技术研究综述
赵蕊, 许建, 向先波, 徐国华
2018, 13(6): 58-65. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01028
摘要:
自主式水下机器人(AUV)是海洋资源勘探和开发的重要工具,在民用和军用领域都发挥着重要作用。随着AUV技术的逐步成熟,通过构建多自主式水下机器人(MAUV)系统,令多个AUV协作完成水下作业任务已成为当前的发展趋势。MAUV系统对提高水下机器人的智能化水平及发展海洋化装备具有重要的理论研究意义和实用价值。介绍目前MAUV系统的应用现状和科研进展,并对MAUV协同路径规划和集群协同控制技术等研究热点进行系统化梳理,着重分析人工智能优化和编队协同的关键技术。最后,对MAUV系统未来的发展方向进行展望。
一种基于人工势场多AUV集群的实时避障方法
徐博, 张娇, 王超
2018, 13(6): 66-71. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01326
摘要:
  目的  针对复杂水下环境中可能存在的多种障碍物,影响多自主式水下机器人(AUV)集群运动规划问题,提出一种基于人工势场的多AUV集群实时避障方法。  方法  首先,采用一种基于动态网络拓扑的编队方法,将AUV看作网络中的节点,通过设置势场函数来满足编队要求;然后,基于人工势场法对同时存在目标和障碍的区域建立势场函数,并将势场函数改进为指数函数,对AUV进行在线规划,实时完成多AUV集群避障的任务;最后,在Matlab软件中仿真设置10台AUV和6个障碍物进行仿真验证。  结果  仿真结果表明,采用该方法,AUV可以全部顺利地避开障碍物,准确到达目标点的安全区域。  结论  人工势场函数法可准确实现多AUV的实时避障,该技术的进步对提高军事作战能力具有重要的意义。
未知环境中无人驾驶船舶智能避碰决策方法
王程博, 张新宇, 张加伟, 刘硕
2018, 13(6): 72-77. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01144
摘要:
  目的  为了实现无人驾驶船舶在未知环境下的智能避障功能,  方法  首先,建立一种基于深度强化学习(DRL)技术的无人驾驶船舶智能避碰决策模型,分析无人驾驶船舶智能避碰决策面临的问题,提出智能避碰决策的设计准则。然后,在此基础上,建立基于Markov决策方法(MDP)的智能避碰决策模型,通过值函数求解决策模型中的最优策略,使无人驾驶船舶状态对行为映射中的回报最大,并专门设计由接近目标、偏离航线和安全性组成的激励函数。最后,分别在静态、动态障碍环境下进行仿真实验。  结果  结果表明,该智能决策方法可以有效避让障碍物,保障无人驾驶船舶在未知水域中的航行安全,  结论  所提方法可为无人驾驶船舶的自主航行提供理论参考。
大尺度欠驱动高速AUV导航系统研制
翟云峰, 王冠学, 徐国华, 陈柱, 张鑫
2018, 13(6): 78-86, 93. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01074
摘要:
  目的  针对某新型大尺度欠驱动高速自主式水下机器人(AUV)导航系统的研制,  方法  详细介绍AUV导航系统的硬件组成及软件构架,构建基于VxWorks实时嵌入式操作系统的AUV组合导航系统。考虑到高速AUV导航系统的非线性特征及容错性要求,将无迹卡尔曼滤波(UKF)技术用于联邦滤波器,设计基于UKF的联邦卡尔曼滤波器,并对导航系统的二维平面模型进行数值仿真。  结果  结果表明,联邦无迹卡尔曼滤波器相比传统的卡尔曼滤波方法能够获得更高的精度和更好的鲁棒性;半实物仿真联调试验、水池试验、湖上试验及艇载试验充分验证了导航系统的实时性和可靠性,  结论  证明该系统能够满足AUV航行任务的需要。
基于遗传算法和分数阶技术的水下机器人航向控制
赵蕊, 许建, 王淼, 向先波, 徐国华
2018, 13(6): 87-93. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01185
摘要:
  目的  自主式水下机器人(AUV)在海洋资源勘探、水下设备检修、水下搜救等领域发挥着重要作用,是探索海洋、开发海洋资源的重要工具。AUV的航向控制是其完成水下作业任务的基础。目前国内工程上多使用常规整数阶PID(比例、积分、微分)控制器进行航向控制,但该方法存在鲁棒性较差和参数整定复杂的问题。  方法  针对以上常规航向控制方法的不足,提出一种基于分数阶PID技术的航向控制器,并结合遗传算法完成控制参数自动整定,以提高控制器的实用性。分别对试凑法整定整数阶PID参数、基于遗传算法整定整数阶和分数阶PID参数的3种航向控制器进行算法仿真对比。  结果  结果表明:基于遗传算法整定分数阶PID参数的航向控制器相较于其他2个控制器,在上升时间与稳态误差基本相当的情况下超调量显著减小。  结论  说明基于遗传算法整定参数的分数阶水下机器人航向控制算法有效并具有优越性。
自主式水下机器人控制系统及声呐目标识别
张家敏, 曾庆军, 朱志宇, 戴晓强, 姚金艺
2018, 13(6): 94-100. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01192
摘要:
  目的  为满足水下搜救、勘探、目标检测与跟踪等需求,  方法  针对研制的"探海Ⅰ型"自主式水下机器人(AUV),利用其搭载的前视声呐开展目标识别试验,选取获取的运动目标图像中的典型帧进行目标检测和识别研究。阐述"探海Ⅰ型"AUV的系统组成与工作原理。提出一种控制系统架构:以笔记本电脑配合水面控制箱为水面控制单元;以PC104工控板作为自动驾驶仪的主控单元;同时配备摄像头PC104板卡单独进行摄像头图像处理。采用三帧差分法检测声呐目标,并基于Hough变换的快速椭圆检测算法提取目标特征。  结果  湖上试验表明:研制的AUV运行可靠、正常,可满足水下工作的需求,声呐目标识别效果较好。  结论  该AUV控制系统架构和目标识别方法对于中、大型AUV的研制及视频、红外等其他领域的目标识别具有借鉴意义。
无人船集群队形重构的目标任务分配
吕光颢, 彭周华, 王丹, 窦伟滔
2018, 13(6): 101-106. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01362
摘要:
  目的  针对无人船编队队形重构中的目标分配问题,提出一种队形重构目标分配方法。  方法  首先,在目标点固定的情况下,通过各无人船的当前位置,生成基于距离的收益函数。其次,以拍卖理论为基础,根据无人船队形重构中目标分配的快速性要求,针对传统拍卖算法在重构分配中可能存在的无可行解问题,提出基于最大迭代次数的拍卖终止机制,分散部分计算量,从而缩短分配时间。  结果  仿真结果表明,与匈牙利法相比,所提方法针对大规模无人船集群队形重构能够快速给出目标任务分配方案。  结论  所提方法能为无人船集群队形重构中目标分配问题以及无人船自主决策研究提供一定的参考。
基于改进蚁群算法的多自主式水下机器人任务分配
刘瑞轩, 张永林
2018, 13(6): 107-112. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01029
摘要:
  目的  以多自主式水下机器人(MAUV)执行海底地形勘察任务为背景,提出一种基于改进蚁群算法的MAUV最优任务分配算法。  方法  首先,建立任务分配问题模型;然后,针对基本蚁群算法进行改进。改进的蚁群由多个子群组成,通过对任务执行能力蚂蚁的选择方法、启发函数和全局信息素更新方式进行改进,以此提高算法的自适应能力和全局搜索能力,并在局部搜索中通过2-opt算法进一步加快最优解的收敛速度。  结果  Matlab仿真结果表明,改进的蚁群算法可以有效提高MAUV的任务分配效率,从而快速地平衡航行距离和能耗代价。  结论  研究成果可为MAUV海底地形勘察任务分配提供参考。
水下安全检测与作业型机器人控制系统
张光义, 曾庆军, 戴晓强, 朱春磊, 凌宏杰
2018, 13(6): 113-119. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01167
摘要:
  目的  针对船体、大坝、水下钢结构等表面附着物的安全检测,以及附着物清除作业的要求,需要研制一款新型水下安全检测和作业型带缆遥控水下机器人(ROV)。此类ROV需针对不同作业任务更换机械手,实现抓取、切割的功能,从而保证去除结构物上的附着物。  方法  阐述水下安全检测和作业型机器人的整套系统组成及原理。该系统以Arduino单片机为控制面板信号采集工具、以水面监控系统开发工控机为平台,零浮力脐带缆以2对双绞线、1对电源线为信号电力传输线,水下控制系统以ARM嵌入式为主控单元。建立ROV动力学模型,设计ROV艏向控制的广义预测控制器。经过系统调试,进行水池试验和湖上试验。  结果  试验证明,该系统运行正常,整套控制系统的稳定性、可靠性、实时性均达到设计要求,满足水下安全检测及作业要求。  结论  该系统设计方案和控制算法对于其他水下机器人的控制系统研究均有借鉴意义。
AUV主动应急自救机制与策略
陈柱, 徐国华, 王冠学, 刘炎, 翟云峰, 郑煜
2018, 13(6): 120-127. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01027
摘要:
  目的  为保障高速自主式水下机器人(AUV)的航行安全,研制一套智能应急自救系统。  方法  首先,介绍应急自救系统的组成与功能,对其进行可靠性分析与设计;其次,重点研究多信道信息采集融合机制、主动应急机制、故障优先级整定机制和应急处理决策机制;再次,设计应急专家决策模型,提出一种基于离散规则应急操舵的应急处理方法;最后,基于VxWorks实时操作系统编制应急系统控制软件,并搭建半实物仿真平台进行系统联调仿真试验。  结果  试验结果验证了该应急自救机制与策略的可靠性和可行性。  结论  该应急系统弥补了传统应急手段的不足,对AUV的应急自救具有重要的借鉴作用。
水下滑翔机浮力调节系统研制
杨海, 刘雁集
2018, 13(6): 128-133, 165. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01238
摘要:
  目的  浮力调节系统是控制水下滑翔机潜浮状态及滑翔速度的关键组件。为了深入研究浮力调节系统,  方法  通过对水下滑翔机及其浮力调节系统的理论分析和CFD计算,以获得浮力调节量这一重要的设计参数。研制了具有出油和回油两通路的浮力调节系统、采用高压柱塞泵实现在深水环境下向外出油、低能耗齿轮泵实现在浅水环境下回油的浮力调节系统。在不同压力环境下对出油和回油特性及其能耗进行实验测试。  结果  结果表明:在2.5 MPa压力环境下,浮力调节系统出油过程正常;在大气压力环境下,浮力调节系统的回油过程正常,所研制的实验装置可模拟水下滑翔机实际运行环境的海洋压力。  结论  研制工作可为浮力调节系统的工程应用提供有益参考。
基于浮力调节系统的AUV水底着陆策略研究
孙庆刚, 郑荣, 杨斌, 李默竹
2018, 13(6): 134-139. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01059
摘要:
  目的  水底着陆是自主式水下机器人(AUV)实现水下长期潜伏、定点观测的一种手段,有利于更好地掌握海洋环境的变化。  方法  介绍基于油囊式浮力调节系统的作业型AUV的基本组成结构及主要功能,提出控制浮力垂直下潜着陆和航行下潜控制浮力垂直着陆这2种水下着陆策略,分析AUV目标点偏离、能耗和离底情况,并开展湖上着陆试验验证。  结果  试验结果表明,依靠该浮力调节系统,AUV能够在水下稳定着陆并安全离底;航行下潜控制浮力垂直着陆策略比控制浮力垂直下潜着陆策略更节省能源,且着陆目标点更为准确。  结论  因此,航行下潜控制浮力垂直着陆策略更符合未来实际应用的需求。
船舶动力装置智能诊断系统设计
张跃文, 孙晓磊, 丁亚委, 孙培廷
2018, 13(6): 140-146. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01209
摘要:
  目的  为了适应无人驾驶船舶的发展趋势,增强船舶动力装置的船岸一体化管理,减轻轮机人员的工作负担,从而实现船舶动力装置的"视情维修",有必要设计开发船舶动力装置智能诊断系统。  方法  根据组件的功能和特点,采用单参数阈值法和雷达图分析法进行健康状态评估,并将评估结果转换为健康分数值。对于低于70分的组件,系统将自动进入辅助决策界面,并针对某一故障提供相应的辅助决策建议,以供轮机人员参考。以教学实习船"育鲲"轮为目标船舶,对船舶动力装置的智能诊断系统进行实船验证。  结果  实船验证结果表明,船舶动力装置智能诊断系统具有较高的准确性和可操作性,实现了从"事后维修"到"视情维修"的转变。  结论  船舶动力装置智能诊断系统有利于提高船舶运行的安全性,具有一定的实船应用价值。
基于DPC-GMM算法的船舶燃油系统故障诊断
魏一, 张跃文, 李斌
2018, 13(6): 147-153, 165. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01262
摘要:
  目的  传统的高斯混合模型(GMM)算法存在收敛速度较慢的固有缺陷,容易产生过拟合现象,导致参数计算陷入局部最优,不能很好地用于船舶燃油系统的故障诊断。  方法  首先,分析GMM算法及参数估计算法,结合密度峰值聚类(DPC)算法,提出一种基于DPC-GMM算法的船舶燃油系统故障诊断方法;然后,通过训练船舶燃油系统状态所对应的高斯混合模型参数,实现对船舶燃油系统故障的无监督诊断;最后,基于获取的船舶燃油系统故障数据,验证该方法的有效性。  结果  实验结果表明,采用基于DPC-GMM算法的故障辨识准确率高、识别速度快,优于传统的反向传播(BP)神经网络和支持向量机(SVM)诊断算法。  结论  研究结果对船舶燃油系统的故障诊断有重要的指导意义。
武器与电子信息系统
有人/无人机协同反潜作战模式探析
徐梁, 潘宣宏, 吴铭
2018, 13(6): 154-159. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01072
摘要:
  目的  有人/无人机混编协同反潜作战可以发挥有人机和无人机的互补优势,极大提高作战运用效能,是未来网络化条件下航空作战的典型方式之一。  方法  分析有人/无人机协同反潜作战具有的作战优势及面临的困难,介绍国内外关于有人/无人机协同作战的理论研究现状和装备发展情况。在此基础上,重点探讨协同反潜的5种典型模式,并基于协同反潜任务需求,提出协同任务规划、协同数据链、反潜机和无人机平台的能力需求及实现协同反潜作战所需解决的关键技术。  结果  研究表明,有人/无人机协同反潜作战具有极大潜能,  结论  对未来无人机装备发展和有人/无人机协同反潜作战训练具有重要的指导意义。
固定翼无人机反潜战概念及典型反潜战载荷
苏金涛
2018, 13(6): 160-165. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01133
摘要:
固定翼无人机(UAV)具有成本低、留空时间长、机动性能好、搜索范围广等特点,在反潜战(ASW)领域有着广阔的应用前景,但在反潜战的理论和工程实践应用方面才刚刚起步,在作战概念开发、作战流程设计、反潜战载荷集成等方面仍面临一系列挑战。介绍国外固定翼反潜无人机的发展现状,概述固定翼无人机反潜战概念及其承担的反潜战任务,分析固定翼反潜无人机的运行控制,描述"搜攻潜一体化"固定翼无人机典型反潜战载荷的基本组成和功能,结果可为固定翼反潜无人机系统的论证、开发、设计和使用提供借鉴及参考。