機(jī)械與運(yùn)載工程領(lǐng)域（以下簡(jiǎn)稱機(jī)械領(lǐng)域）所研判的 Top10 工程研究前沿涉及機(jī)械工程、船舶與海洋工程、航空宇航科學(xué)技術(shù)、兵器科學(xué)與技術(shù)、動(dòng)力及電氣設(shè)備工程與技術(shù)、交通運(yùn)輸工程等學(xué)科方向。其中，“自主水下航行器的自適應(yīng)跟蹤”“多智能體系統(tǒng)的一致性控制”“機(jī)械手的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制”“水下自主導(dǎo)航系統(tǒng)”“全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)優(yōu)化”和“近海岸波浪能資源評(píng)估及利用”是傳統(tǒng)研究的深入，“鋰離子電池?zé)峁芾砑夹g(shù)”“認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)”“基于觸覺的目標(biāo)識(shí)別”和“電 / 磁場(chǎng)強(qiáng)化納米流體對(duì)流傳熱”是新興前沿。論文自 2012 年至 2017 年逐年發(fā)表，“鋰離子電池?zé)峁芾砑夹g(shù)”和“電/ 磁場(chǎng)強(qiáng)化納米流體對(duì)流傳熱”是近年來論文發(fā)表增速最顯著的方向。
機(jī)械領(lǐng)域 Top10 工程研究前沿
| 序號(hào) | 工程研究前沿 | 核心論文數(shù) | 被引頻次 | 篇均被引頻次 | 平均出版年 | 常被引論文占比 | 被專利引用的文獻(xiàn)占比 |
| 1 | 自主水下航行器的自適應(yīng)跟蹤 | 6 | 75 | 12.50 | 2014.67 | 0.0% | 0.00 |
| 2 |
多智能體系統(tǒng)的一致性控制 |
18 | 1197 | 66.50 | 2014.72 | 11.1% | 0.00 |
| 3 |
機(jī)械手的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 |
3 | 376 | 125.33 | 2016.00 | 66.7% | 0.00 |
| 4 |
水下自主導(dǎo)航系統(tǒng) |
5 | 106 | 21.20 | 2014.80 | 0.0% | 0.00 |
| 5 |
鋰離子電池?zé)峁芾砑夹g(shù) |
13 | 169 | 13.00 | 2016.23 | 15.4% | 0.00 |
| 6 |
全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)優(yōu)化 |
8 | 217 | 27.13 | 2013.63 | 0.0% | 0.13 |
| 7 |
認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò) |
22 | 755 | 34.32 | 2014.86 | 9.1% | 0.00 |
| 8 |
基于觸覺的目標(biāo)識(shí)別 |
4 | 115 | 28.00 | 2016.75 | 50.0% | 0.00 |
| 9 |
近海岸波浪能資源評(píng)估及利用 |
32 | 925 | 28.91 | 2014.19 | 9.4% | 0.00 |
| 10 |
電 / 磁場(chǎng)強(qiáng)化納米流體對(duì)流傳熱 |
19 | 801 | 42.16 | 2017.00 | 10.5% | 0.00 |
（1）自主水下航行器的自適應(yīng)跟蹤
由于自主水下航行器是一個(gè)典型的強(qiáng)耦合非線性系統(tǒng)，易受到水下洋流等時(shí)變因素干擾，比一般剛體具有更強(qiáng)的模型、參數(shù)不確定性。針對(duì)未知參數(shù)具有線性化形式的非線性系統(tǒng)，目前一般采用自適應(yīng)技術(shù)，在線預(yù)估未知參數(shù)；針對(duì)參數(shù)不具有線性化形式的系統(tǒng)，可采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法補(bǔ)償系統(tǒng)不確定性，保證跟蹤誤差的穩(wěn)定性。根據(jù)推進(jìn)器配置不同，自主水下航行器跟蹤研究主要分為欠驅(qū)動(dòng)水下航行器跟蹤控制、全驅(qū)動(dòng)水下航行器跟蹤控制。欠驅(qū)動(dòng)水下航行器跟蹤控制系統(tǒng)各運(yùn)動(dòng)自由度之間跟蹤誤差具有很強(qiáng)的非線性耦合，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要是利用反步控制方法及級(jí)聯(lián)系統(tǒng)控制方法等來實(shí)現(xiàn)跟蹤誤差的漸近穩(wěn)定性；由于全驅(qū)動(dòng)水下航行器跟蹤控制系統(tǒng)每個(gè)自由度均有獨(dú)立的控制輸入，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要采用自適應(yīng)反步控制方法等來獲得具有全局線性穩(wěn)定性的軌跡跟蹤控制器。自主水下航行器編隊(duì)協(xié)同跟蹤探測(cè)效能遠(yuǎn)優(yōu)于單體跟蹤探測(cè)，在逐步完善自主水下航行器自適應(yīng)單體跟蹤控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)于自適應(yīng)編隊(duì)協(xié)同控制技術(shù)及智能路徑規(guī)劃技術(shù)等研究將是該研究方向的發(fā)展趨勢(shì)。
（2）多智能體系統(tǒng)的一致性控制
從人群到飛鳥、游魚、昆蟲、細(xì)菌、細(xì)胞，自然界廣泛存在著大規(guī)模群體運(yùn)動(dòng)。相互聯(lián)系而不斷運(yùn)動(dòng)的個(gè)體組成的系統(tǒng)涌現(xiàn)出了豐富多彩而高度協(xié)調(diào)的群集動(dòng)力學(xué)行為。多智能體系統(tǒng)是理解生物和自然群集行為的一個(gè)途徑，同時(shí)在工業(yè)多機(jī)器人群體協(xié)同、無人機(jī)編隊(duì)控制、人類群體行為調(diào)控疏導(dǎo)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等領(lǐng)域具有可觀的應(yīng)用價(jià)值。多智能體系統(tǒng)是由一系列相互作用的智能體構(gòu)成，各個(gè)智能體之間通過通信、合作、協(xié)調(diào)、調(diào)度、管理和控制等方式來表達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及行為特性，完成單個(gè)智能體不能完成的大量而又復(fù)雜的工作。多智能體系統(tǒng)具有自主性、分布性、協(xié)調(diào)性，并具有自組織能力、學(xué)習(xí)能力和推理能力，因而采用多智能體系統(tǒng)解決實(shí)際問題有很強(qiáng)的魯棒性和可靠性。由于生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、自動(dòng)化科學(xué)、物理科學(xué)等多個(gè)學(xué)科交叉和滲透發(fā)展，多智能體系統(tǒng)已成為工程控制學(xué)科的前沿問題。初期多智能體系統(tǒng)協(xié)同的研究受自然界廣泛存在的群集現(xiàn)象啟發(fā)，利用數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真和系統(tǒng)科學(xué)的方法進(jìn)行探索。近幾十年來出現(xiàn)了大量的多智能體系統(tǒng)協(xié)同控制理論的研究。多智能體的協(xié)調(diào)控制的基本問題包括一致性控制、集聚控制、蜂擁控制和編隊(duì)控制等。一致性控制是多智能體系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制中一個(gè)最基本的問題，其研究可以推廣應(yīng)用到其他協(xié)同控制問題。一致性控制是指設(shè)計(jì)一致性協(xié)議使得各智能體之間通過局部信息交互，實(shí)現(xiàn)所有智能體的目標(biāo)狀態(tài)值一致。一致性控制研究主要從三個(gè)方面展開：智能體動(dòng)力學(xué)復(fù)雜度、通信拓?fù)鋸?fù)雜度以及網(wǎng)絡(luò)信息傳輸復(fù)雜度。當(dāng)前多智能體系統(tǒng)最重要的應(yīng)用是群體機(jī)器人的協(xié)同。特別是傳統(tǒng)的多機(jī)器人生產(chǎn)線往往采取集中式控制結(jié)構(gòu)，難以適應(yīng)面向任務(wù)的小批量、多品種的生產(chǎn)，缺乏敏捷制造的能力。隨著當(dāng)今國(guó)際制造業(yè)正在向大型、復(fù)雜、動(dòng)態(tài)和開放的方向轉(zhuǎn)變，現(xiàn)代制造的復(fù)雜作業(yè)需要多機(jī)器人協(xié)同完成，因此亟待研制具有更好的順應(yīng)性、一致性和優(yōu)化性能的群體機(jī)器人系統(tǒng)。
（3）機(jī)械手的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制
多指靈巧機(jī)械手是一個(gè)復(fù)雜的、動(dòng)態(tài)耦合、具有時(shí)變特性的非線性系統(tǒng)，存在諸如系統(tǒng)建模誤差、高頻特性、關(guān)節(jié)摩擦以及信號(hào)檢測(cè)誤差等多種不確定性因素，這些客觀存在的實(shí)際情況使得控制系統(tǒng)性能變差，以致常規(guī)的反饋技術(shù)不能滿足控制要求。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性變換特性和高度的并行運(yùn)算能力，可以有效辨識(shí)出機(jī)械手系統(tǒng)的參數(shù)，但其不能完全解決機(jī)械手建模誤差和外界干擾等帶來的不確定性問題。為了利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)械手系統(tǒng)進(jìn)行自適應(yīng)控制，往往還需要融合其他算法，包括滑?？?/span>制、魯棒控制和智能控制等方法。目前基于知識(shí)規(guī)則和學(xué)習(xí)推理的智能控制算法，如模糊控制、學(xué)習(xí)控制、專家控制和遺傳算法、粒子群尋優(yōu)算法等，在處理系統(tǒng)不確定性方面具有各自的優(yōu)勢(shì)，將多種控制方法相融合、取長(zhǎng)補(bǔ)短、有機(jī)結(jié)合，形成新的控制方法已成為多指機(jī)械手自適應(yīng)控制領(lǐng)域的研究前沿和發(fā)展趨勢(shì)。
（4）水下自主導(dǎo)航系統(tǒng)
自主水下航行器廣泛應(yīng)用于水下作業(yè)，是許多科學(xué)、工業(yè)和軍事活動(dòng)的基礎(chǔ)，因此實(shí)現(xiàn)水下航行器的高精度定位以及多個(gè)水下航行器的協(xié)同導(dǎo)航已經(jīng)成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的研究前沿。超短基線定位系統(tǒng)在近年來已經(jīng)得到普遍應(yīng)用，它是一種以聲波為信息載體的水下聲學(xué)定位技術(shù)，由水下航行器的聲信標(biāo)發(fā)出聲信號(hào)、水面上的超短基線基陣接收信號(hào)并測(cè)算水下方位及距離。該系統(tǒng)由基于卡爾曼濾波器、擴(kuò)展卡爾曼濾波器或者分散擴(kuò)展信息濾波器的算法提供軟件方案，慣性測(cè)量單元、光纖陀螺儀和多普勒計(jì)程儀等傳感元件則構(gòu)成了硬件系統(tǒng)。在進(jìn)行水下定位和導(dǎo)航時(shí)，影響其精度的重要因素是針對(duì)水下航行器運(yùn)動(dòng)的估計(jì)算法，該算法不僅在期望路徑和執(zhí)行路徑之間的位置誤差方面影響定位和導(dǎo)航的結(jié)果，而且還影響由水下航行器獲取的地理參考數(shù)據(jù)，因此自主水下航行器的運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法需要精確且輕量。此外，聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器作為超短基線基陣的替代方案，在單個(gè)自主水下航行器的同步時(shí)鐘單向行程時(shí)間聲學(xué)導(dǎo)航方面也具有較大的應(yīng)用潛力。
（5）鋰離子電池?zé)峁芾砑夹g(shù)
近些年，在能源危機(jī)與環(huán)境污染的雙重威脅下，電動(dòng)汽車的發(fā)展得到了人們廣泛關(guān)注。鋰離子電池因具有能量密度高和功率密度強(qiáng)、循環(huán)壽命長(zhǎng)以及自放電比率低等優(yōu)點(diǎn)成為電動(dòng)汽車動(dòng)力首選。但鋰離子電池在大電流快速充放電循環(huán)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量并可能引發(fā)熱逃逸，倘若處理不當(dāng)會(huì)對(duì)電池性能、壽命、安全性等方面產(chǎn)生極大影響。實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬通常用來分析電池和電池組的熱行為，以便進(jìn)行更好的熱管理。精確的熱學(xué)模型對(duì)于鋰離子電池?cái)?shù)值模擬至關(guān)重要，必須精確表達(dá)電池中的能量守恒、熱產(chǎn)生以及邊界條件，還需配合電化學(xué)及等效電路模型進(jìn)行輔助計(jì)算。目前動(dòng)力電池冷卻的研究方法主要集中在風(fēng)冷、液冷、相變材料冷卻、沸騰冷卻與熱管冷卻等。同時(shí)，電池加熱技術(shù)的研究也不能忽視，這決定了鋰離子電池能否正常應(yīng)用于低溫和高海拔地區(qū)。各類熱管理技術(shù)各有利弊，實(shí)際應(yīng)用中必須綜合考慮成本、復(fù)雜度、重量、冷卻效果、溫度一致性、寄生功率消耗各個(gè)方面，方能實(shí)現(xiàn)鋰離子電池的有效熱管理。
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