機械與運載工程領域（以下簡稱機械領域）所研判的 Top10 工程研究前沿涉及機械工程、船舶與海洋工程、航空宇航科學技術、兵器科學與技術、動力及電氣設備工程與技術、交通運輸工程等學科方向。其中，“自主水下航行器的自適應跟蹤”“多智能體系統(tǒng)的一致性控制”“機械手的自適應神經網(wǎng)絡控制”“水下自主導航系統(tǒng)”“全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)優(yōu)化”和“近海岸波浪能資源評估及利用”是傳統(tǒng)研究的深入，“鋰離子電池熱管理技術”“認知無線網(wǎng)絡”“基于觸覺的目標識別”和“電 / 磁場強化納米流體對流傳熱”是新興前沿。論文自 2012 年至 2017 年逐年發(fā)表，“鋰離子電池熱管理技術”和“電/ 磁場強化納米流體對流傳熱”是近年來論文發(fā)表增速最顯著的方向。
機械領域 Top10 工程研究前沿
| 序號 | 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 | 被專利引用的文獻占比 |
| 1 | 自主水下航行器的自適應跟蹤 | 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 |
機械手的自適應神經網(wǎng)絡控制 |
3 | 376 | 125.33 | 2016.00 | 66.7% | 0.00 |
| 4 |
水下自主導航系統(tǒng) |
5 | 106 | 21.20 | 2014.80 | 0.0% | 0.00 |
| 5 |
鋰離子電池熱管理技術 |
13 | 169 | 13.00 | 2016.23 | 15.4% | 0.00 |
| 6 |
全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)優(yōu)化 |
8 | 217 | 27.13 | 2013.63 | 0.0% | 0.13 |
| 7 |
認知無線網(wǎng)絡 |
22 | 755 | 34.32 | 2014.86 | 9.1% | 0.00 |
| 8 |
基于觸覺的目標識別 |
4 | 115 | 28.00 | 2016.75 | 50.0% | 0.00 |
| 9 |
近海岸波浪能資源評估及利用 |
32 | 925 | 28.91 | 2014.19 | 9.4% | 0.00 |
| 10 |
電 / 磁場強化納米流體對流傳熱 |
19 | 801 | 42.16 | 2017.00 | 10.5% | 0.00 |
（1）自主水下航行器的自適應跟蹤
由于自主水下航行器是一個典型的強耦合非線性系統(tǒng)，易受到水下洋流等時變因素干擾，比一般剛體具有更強的模型、參數(shù)不確定性。針對未知參數(shù)具有線性化形式的非線性系統(tǒng)，目前一般采用自適應技術，在線預估未知參數(shù)；針對參數(shù)不具有線性化形式的系統(tǒng)，可采用神經網(wǎng)絡方法補償系統(tǒng)不確定性，保證跟蹤誤差的穩(wěn)定性。根據(jù)推進器配置不同，自主水下航行器跟蹤研究主要分為欠驅動水下航行器跟蹤控制、全驅動水下航行器跟蹤控制。欠驅動水下航行器跟蹤控制系統(tǒng)各運動自由度之間跟蹤誤差具有很強的非線性耦合，國內外學者主要是利用反步控制方法及級聯(lián)系統(tǒng)控制方法等來實現(xiàn)跟蹤誤差的漸近穩(wěn)定性；由于全驅動水下航行器跟蹤控制系統(tǒng)每個自由度均有獨立的控制輸入，國內外學者主要采用自適應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協(xié)同跟蹤探測效能遠優(yōu)于單體跟蹤探測，在逐步完善自主水下航行器自適應單體跟蹤控制技術的基礎上，對于自適應編隊協(xié)同控制技術及智能路徑規(guī)劃技術等研究將是該研究方向的發(fā)展趨勢。
（2）多智能體系統(tǒng)的一致性控制
從人群到飛鳥、游魚、昆蟲、細菌、細胞，自然界廣泛存在著大規(guī)模群體運動。相互聯(lián)系而不斷運動的個體組成的系統(tǒng)涌現(xiàn)出了豐富多彩而高度協(xié)調的群集動力學行為。多智能體系統(tǒng)是理解生物和自然群集行為的一個途徑，同時在工業(yè)多機器人群體協(xié)同、無人機編隊控制、人類群體行為調控疏導、無線傳感網(wǎng)絡優(yōu)化等領域具有可觀的應用價值。多智能體系統(tǒng)是由一系列相互作用的智能體構成，各個智能體之間通過通信、合作、協(xié)調、調度、管理和控制等方式來表達系統(tǒng)的結構、功能及行為特性，完成單個智能體不能完成的大量而又復雜的工作。多智能體系統(tǒng)具有自主性、分布性、協(xié)調性，并具有自組織能力、學習能力和推理能力，因而采用多智能體系統(tǒng)解決實際問題有很強的魯棒性和可靠性。由于生物學、計算機科學、人工智能、自動化科學、物理科學等多個學科交叉和滲透發(fā)展，多智能體系統(tǒng)已成為工程控制學科的前沿問題。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、計算機仿真和系統(tǒng)科學的方法進行探索。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、蜂擁控制和編隊控制等。一致性控制是多智能體系統(tǒng)協(xié)調控制中一個最基本的問題，其研究可以推廣應用到其他協(xié)同控制問題。一致性控制是指設計一致性協(xié)議使得各智能體之間通過局部信息交互，實現(xiàn)所有智能體的目標狀態(tài)值一致。一致性控制研究主要從三個方面展開：智能體動力學復雜度、通信拓撲復雜度以及網(wǎng)絡信息傳輸復雜度。當前多智能體系統(tǒng)最重要的應用是群體機器人的協(xié)同。特別是傳統(tǒng)的多機器人生產線往往采取集中式控制結構，難以適應面向任務的小批量、多品種的生產，缺乏敏捷制造的能力。隨著當今國際制造業(yè)正在向大型、復雜、動態(tài)和開放的方向轉變，現(xiàn)代制造的復雜作業(yè)需要多機器人協(xié)同完成，因此亟待研制具有更好的順應性、一致性和優(yōu)化性能的群體機器人系統(tǒng)。
（3）機械手的自適應神經網(wǎng)絡控制
多指靈巧機械手是一個復雜的、動態(tài)耦合、具有時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、關節(jié)摩擦以及信號檢測誤差等多種不確定性因素，這些客觀存在的實際情況使得控制系統(tǒng)性能變差，以致常規(guī)的反饋技術不能滿足控制要求。神經網(wǎng)絡具有非線性變換特性和高度的并行運算能力，可以有效辨識出機械手系統(tǒng)的參數(shù)，但其不能完全解決機械手建模誤差和外界干擾等帶來的不確定性問題。為了利用神經網(wǎng)絡對機械手系統(tǒng)進行自適應控制，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。目前基于知識規(guī)則和學習推理的智能控制算法，如模糊控制、學習控制、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，將多種控制方法相融合、取長補短、有機結合，形成新的控制方法已成為多指機械手自適應控制領域的研究前沿和發(fā)展趨勢。
（4）水下自主導航系統(tǒng)
自主水下航行器廣泛應用于水下作業(yè)，是許多科學、工業(yè)和軍事活動的基礎，因此實現(xiàn)水下航行器的高精度定位以及多個水下航行器的協(xié)同導航已經成為當前國內外的研究前沿。超短基線定位系統(tǒng)在近年來已經得到普遍應用，它是一種以聲波為信息載體的水下聲學定位技術，由水下航行器的聲信標發(fā)出聲信號、水面上的超短基線基陣接收信號并測算水下方位及距離。該系統(tǒng)由基于卡爾曼濾波器、擴展卡爾曼濾波器或者分散擴展信息濾波器的算法提供軟件方案，慣性測量單元、光纖陀螺儀和多普勒計程儀等傳感元件則構成了硬件系統(tǒng)。在進行水下定位和導航時，影響其精度的重要因素是針對水下航行器運動的估計算法，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航的結果，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動估計算法需要精確且輕量。此外，聲學調制解調器作為超短基線基陣的替代方案，在單個自主水下航行器的同步時鐘單向行程時間聲學導航方面也具有較大的應用潛力。
（5）鋰離子電池熱管理技術
近些年，在能源危機與環(huán)境污染的雙重威脅下，電動汽車的發(fā)展得到了人們廣泛關注。鋰離子電池因具有能量密度高和功率密度強、循環(huán)壽命長以及自放電比率低等優(yōu)點成為電動汽車動力首選。但鋰離子電池在大電流快速充放電循環(huán)過程中會產生大量的熱量并可能引發(fā)熱逃逸，倘若處理不當會對電池性能、壽命、安全性等方面產生極大影響。實驗和數(shù)值模擬通常用來分析電池和電池組的熱行為，以便進行更好的熱管理。精確的熱學模型對于鋰離子電池數(shù)值模擬至關重要，必須精確表達電池中的能量守恒、熱產生以及邊界條件，還需配合電化學及等效電路模型進行輔助計算。目前動力電池冷卻的研究方法主要集中在風冷、液冷、相變材料冷卻、沸騰冷卻與熱管冷卻等。同時，電池加熱技術的研究也不能忽視，這決定了鋰離子電池能否正常應用于低溫和高海拔地區(qū)。各類熱管理技術各有利弊，實際應用中必須綜合考慮成本、復雜度、重量、冷卻效果、溫度一致性、寄生功率消耗各個方面，方能實現(xiàn)鋰離子電池的有效熱管理。
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