海洋探測無人艇：平臺(tái)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王偉平，何西，董超,3，鄭兵,3，李雪,3

（1. 國家海洋局南海調(diào)查技術(shù)中心，廣東 廣州 510300； 2. 自然資源部海洋環(huán)境探測技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510300； 3. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（珠海），廣東 珠海 519080）

1 引言

水面無人艇（unmanned surface vessel，USV）指通過人在岸端遙控或水中自主規(guī)劃航行，完成各項(xiàng)任務(wù)的水面運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，由于其具備吃水淺、快速機(jī)動(dòng)、操作靈活等特點(diǎn)，在軍事和民用領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。在軍事領(lǐng)域，USV可替代人執(zhí)行艱苦、單調(diào)且高風(fēng)險(xiǎn)的軍事任務(wù)，如掃獵雷、水面及水下警戒、小范圍戰(zhàn)術(shù)支持等。在民用方面，目前的USV有部分適用于海洋調(diào)查領(lǐng)域的成熟產(chǎn)品，國外廠商及其產(chǎn)品如英國ASV Global公司旗下的C-worker系列、C-Enduro，Ocean Science公司的Z-Boat系列，以及Sea-Robtics等，國內(nèi)廠商如珠海云洲出品的M80、ME120，上海大學(xué)研制的“精?！毕盗袩o人艇，安徽科微推出的C400等。

隨著技術(shù)的發(fā)展，無人艇的應(yīng)用場景越來越復(fù)雜，無人艇通過集成海洋調(diào)查設(shè)備，可完成各類海洋探測任務(wù)，包括海洋測繪、水質(zhì)采集、海洋監(jiān)測[4-7]等；通過集成傳感器設(shè)備，可完成高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的自主控制、智能航行與避障[8-11]等操作。同時(shí)，集成以上多種設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)無人艇在更復(fù)雜海洋場景中進(jìn)行海洋探測任務(wù)，如海上大橋橋墩受損監(jiān)測與底質(zhì)勘察、海上風(fēng)電場風(fēng)機(jī)與纜線運(yùn)維[12-13]等，無人艇的參與降低了人直接參與海上活動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省任務(wù)執(zhí)行時(shí)間，同步提高海上運(yùn)維效率與經(jīng)濟(jì)效益。

與目前的海洋調(diào)查無人艇相比，本文的無人艇具備以下優(yōu)勢：雙體、寬甲板平臺(tái)設(shè)計(jì)，具備極高的航行穩(wěn)定性，在3～4級(jí)海況下，其數(shù)據(jù)采集精度仍符合相關(guān)海洋調(diào)查規(guī)范要求；升降鰭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證儀器設(shè)備安全，可在極淺水區(qū)作業(yè)；搭載多種感知設(shè)備，目前已加裝導(dǎo)航雷達(dá)、激光雷達(dá)、光電吊艙、前視聲吶等感知設(shè)備，保證其航行安全性；搭載多種調(diào)查設(shè)備，包含多波束、三維側(cè)掃聲吶、淺地層剖面儀等，是一種綜合多功能調(diào)查無人艇。本次該無人艇參與江西省應(yīng)急抗洪搶險(xiǎn)，屬于無人艇在該類場景中的首次應(yīng)用。采用無人艇進(jìn)行抗洪救災(zāi)現(xiàn)場應(yīng)急救援，主要原因?yàn)椋?/p>

（1）防洪堤岸巡檢，由人工進(jìn)行堤岸巡檢效率低，且對(duì)于堤岸薄、易坍塌處難以發(fā)現(xiàn)與預(yù)防，通過無人艇沿堤岸大范圍的掃測，提前找出堤岸危險(xiǎn)點(diǎn)，進(jìn)行加固或者重點(diǎn)監(jiān)測，可以預(yù)防堤岸坍塌，極大地節(jié)省巡檢時(shí)間，提高巡檢效率；

（2）洪水湍急、環(huán)境復(fù)雜，大船無法作業(yè)，小船作業(yè)危險(xiǎn)系數(shù)高，而采用目前裝備多種傳感器的中大型無人艇，不僅有主動(dòng)避開障礙物的能力，且采集數(shù)據(jù)也更加穩(wěn)定可靠；

（3）受天氣影響小，洪水發(fā)生區(qū)域大雨時(shí)間較多，人工守堤危險(xiǎn)系數(shù)高、操作不便，而無人艇能在雨、雪等復(fù)雜天氣環(huán)境下作業(yè)，幾乎不受天氣影響，可高效完成任務(wù)。

2 無人艇平臺(tái)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的無人艇命名“海洋探測1號(hào)”，為了提高復(fù)雜水域環(huán)境無人艇的生存能力和水底地形地貌調(diào)查能力，主要采用了：（1）雙體平臺(tái)設(shè)計(jì)，且具備寬闊的后甲板平臺(tái)單元，一方面保障無人艇航行過程中艇體姿態(tài)的穩(wěn)定性，另一方面寬闊的甲板單元具備更強(qiáng)的設(shè)備加裝改造能力、拓展能力好，且甲板可容納操作人員站立進(jìn)行無人艇操控；（2）升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，“海洋探測1號(hào)”在兩片艇體之間采用了升降機(jī)構(gòu)，在升降機(jī)構(gòu)下方平臺(tái)安裝多波束測深系統(tǒng)換能器，保證采集數(shù)據(jù)時(shí)換能器入水，遇到觸礁危險(xiǎn)時(shí)換能器出水回歸初始位置，在抗洪救災(zāi)現(xiàn)場通過升降機(jī)構(gòu)保證了多波束的安全與可靠運(yùn)行。

2.1 艇體雙體平臺(tái)設(shè)計(jì)與技術(shù)指標(biāo)

“海洋探測1號(hào)”無人艇平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)上采用雙主機(jī)推進(jìn)模式，通過左右差速控制船舶的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，選用高性能雙體船型配小角度外傾船艏，其具備優(yōu)點(diǎn)為：其航行時(shí)船體興波小，有利于水聲設(shè)備的工作；其甲板面積寬敞，提高平臺(tái)的搭載能力和拓展性；雙體船穩(wěn)性好，在靜水中的橫搖衰減快，致使在不規(guī)則波上的搖擺消失得快；雙體船兩個(gè)螺旋槳軸線和片體間距都比較大，提高平臺(tái)的操縱性和機(jī)動(dòng)性；雙體船側(cè)向投影面積大，提高平臺(tái)對(duì)側(cè)向流的抵抗能力，提高平臺(tái)的艏向穩(wěn)定性?！昂Ｑ筇綔y1號(hào)”船體型線如圖1所示。

圖1 “海洋探測1號(hào)”船體型線

“海洋探測1號(hào)”整體結(jié)構(gòu)上共分為船體、設(shè)備艙、光電平臺(tái)和甲板機(jī)械四大部分。

? 船體采用混合骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，共分為3個(gè)艙室，從首至尾為防撞艙、動(dòng)力能源艙和推進(jìn)系統(tǒng)控制艙3部分，艙室之間設(shè)水密艙壁，通過過壁穿艙件走線，動(dòng)力能源艙和推進(jìn)系統(tǒng)控制艙對(duì)應(yīng)甲板處設(shè)水密艙蓋一個(gè)；動(dòng)力能源艙左片體放置推進(jìn)器的動(dòng)力能源電池和充電機(jī)箱，右片體放置柴油發(fā)電機(jī)；油箱布置在船體中部的連接橋內(nèi)；推進(jìn)器為掛機(jī)形式，船尾預(yù)留一個(gè)艙室用于推進(jìn)器控制盒等電子器件的安裝。

? 設(shè)備艙位于甲板前部，主要用于布置平臺(tái)的控制機(jī)箱、通信機(jī)箱、空調(diào)和任務(wù)設(shè)備控制機(jī)箱等硬件控制設(shè)備，設(shè)備布置為層架式結(jié)構(gòu)；艙內(nèi)預(yù)留人員工作位；艙體采用全密閉設(shè)計(jì)；設(shè)備艙內(nèi)與片體連接處開一個(gè)艙蓋，設(shè)置一個(gè)內(nèi)隔艙；線纜通過設(shè)備艙與片體相接處走線密封；在設(shè)備艙后端面上布置水密門一個(gè)。

? 光電平臺(tái)位于設(shè)備艙頂部，主要集成雷達(dá)、攝像頭、慣性導(dǎo)航天線、舷燈和通信天線等多種光電設(shè)備，線纜集束后通過模塊化穿艙件進(jìn)入控制設(shè)備艙內(nèi)。

? 甲板機(jī)械主要指位于甲板上的升降器和自動(dòng)絞車，兩者采用同軸線中心對(duì)稱布置，線纜通過水密穿艙件引入設(shè)備艙內(nèi)，甲板上預(yù)留內(nèi)凹走線槽和軌道，便于后期拓展應(yīng)用。 “海洋探測1號(hào)”的設(shè)計(jì)方案布置如圖2所示，實(shí)物如圖3所示。

圖2 “海洋探測1號(hào)”設(shè)計(jì)方案布置

圖3 “海洋探測1號(hào)”無人艇實(shí)物

“海洋探測1號(hào)”技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 “海洋探測1號(hào)”技術(shù)指標(biāo)

2.2 升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與設(shè)備集成

多波束測深系統(tǒng)換能器的集成采用了升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要針對(duì)水域地形復(fù)雜、淺點(diǎn)較多的環(huán)境而設(shè)計(jì)，可防止無人艇擱淺，保護(hù)設(shè)備安全。升降機(jī)構(gòu)布置于距船艏水線1/3處，采用液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，主要實(shí)現(xiàn)水下探測設(shè)備的收/放。正常作業(yè)時(shí)，升降機(jī)構(gòu)下放任務(wù)設(shè)備到指定的深度，開始作業(yè)任務(wù)。不作業(yè)正常航行時(shí)升降機(jī)構(gòu)升起，將載荷設(shè)備提出水面，保護(hù)載荷設(shè)備并降低無人艇航行阻力，同時(shí)提高無人艇的通過能力。升降機(jī)構(gòu)安裝布置結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 升降機(jī)構(gòu)安裝布置結(jié)構(gòu)

升降機(jī)構(gòu)采用液壓折疊升降四連桿方式，可有效降低整船高度，不占用甲板面積，采用24 V DC雙向微型液壓泵驅(qū)動(dòng)，液壓缸行程為200 mm，缸徑為40 mm，壓力為13 kPa，伸出力為1 632 kg，回收力為1 224 kg，可滿足50 kg任務(wù)載荷的需求。升降高度為456 mm，通過轉(zhuǎn)接法蘭盤實(shí)現(xiàn)不同任務(wù)設(shè)備的搭載，系統(tǒng)在液壓缸意外泄壓時(shí)能夠自動(dòng)發(fā)現(xiàn)并補(bǔ)壓。升降機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)示意圖（上提狀態(tài)）如圖5所示。

圖5 升降機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)示意圖（上提狀態(tài)）

升降機(jī)構(gòu)集成的調(diào)查設(shè)備為淺水多波束系統(tǒng)，系統(tǒng)可以分為水下?lián)Q能器和水上主機(jī)兩部分，換能器安裝于升降機(jī)構(gòu)下端，通過液壓泵驅(qū)動(dòng)升降機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多波束的入水工作和出水回收。工作時(shí)，保證船舶工作航速航行時(shí)換能器浸沒在水中，并能有效避免亂流和附面層氣泡的干擾；回收后，設(shè)備回收離開水面，降低設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)。

多波束主機(jī)安裝于設(shè)備艙內(nèi)，換能器線纜通過水密穿艙件進(jìn)入設(shè)備艙并接入主機(jī)，主機(jī)數(shù)據(jù)接口為TCP/IP，通過RJ45網(wǎng)口接入工控機(jī)內(nèi)，通過遠(yuǎn)程桌面的形式在遠(yuǎn)端控制基站進(jìn)行參數(shù)配置、數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)。多波束測深系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 多波束測深系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)

3 應(yīng)用案例分析

3.1 岸堤巡檢背景

2020年7月，受連續(xù)強(qiáng)降雨影響，信江（鄱陽湖水系五大河流之一）水位持續(xù)上漲，長時(shí)間、高水位的浸泡，增加了堤防出險(xiǎn)的可能。災(zāi)區(qū)各地堤壩管涌滲水不斷，人工巡堤排查效率低。2020年7月21日，南海調(diào)查技術(shù)中心接到來自江西抗洪前線協(xié)助查險(xiǎn)的邀請，立即抽調(diào)技術(shù)骨干組成抗洪小分隊(duì)，攜帶“海洋探測1號(hào)”無人艇趕往江西省上饒市信江信瑞聯(lián)圩六零騰溪段，使用艇載多波束測深系統(tǒng)進(jìn)行岸堤巡檢，排查管涌風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。2020年7月22日上午，抗洪小分隊(duì)在對(duì)現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行初步排查后，克服底圖缺失、江面環(huán)境復(fù)雜、現(xiàn)場保障條件不足等困難，開始作業(yè)。由于水位上漲、雨水沖刷、堤壩重筑等原因，水下部分的形貌已經(jīng)改變，不能依據(jù)原有底圖進(jìn)行無人艇的測線布設(shè)，采用人工操控?zé)o人艇行進(jìn)開展水下地形測繪，7月23日，完成信江信瑞聯(lián)圩六零騰溪段14 km岸堤底質(zhì)環(huán)境調(diào)查任務(wù)。

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理

采用“海洋探測1號(hào)”完成信江信瑞聯(lián)圩六零騰溪段14 km岸堤的巡檢工作后，快速作出岸堤水下三維形貌圖，經(jīng)排查，判斷岸堤整體健康，但存在4處疑似風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，對(duì)疑似風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)分析，給出經(jīng)緯度坐標(biāo)、三維結(jié)構(gòu)大小和局部高清圖，并提出進(jìn)一步排查與預(yù)防的建議。余干縣信江信瑞聯(lián)圩六零騰溪段大壩地形勘測總體如圖7所示。

圖7 余干縣信江信瑞聯(lián)圩六零騰溪段岸堤地形勘測總體

經(jīng)排查，本段防洪岸堤存在的4處風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)如圖8所示。

圖8 本段防洪岸堤存在的4處風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)

在對(duì)14 km的大壩堤岸進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，共發(fā)現(xiàn)4處風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。圖8（a）中風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位于本段堤壩的下游位置，該處疑似為一沖刷溝槽，長約38 m，寬約5.5 m，深約0.5 m；圖8（b）中風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)存在疑似滑塌，堤坡界面已經(jīng)模糊不可見，并與疑似滑塌體相連；圖8（c）中風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位于風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)（b）北段約50 m處，存在滑塌可能；圖8（d）中風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位于本段堤壩的上游位置，疑似為一沖刷溝槽，長約8 m，寬約4.5 m，深約1 m。

3.3 數(shù)據(jù)精度分析

為評(píng)估采用雙體寬平臺(tái)設(shè)計(jì)和升降機(jī)構(gòu)無人艇作業(yè)的效果，對(duì)“海洋探測1號(hào)”采集的14 km堤岸多波束數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析，以說明無人艇航行穩(wěn)定性和設(shè)計(jì)合理性。

（1）CARIS商業(yè)軟件精度分析

基于國際海道測量組織（International Hydrographic Organization，IHO）特別出版物第44號(hào)（Special Publication No.44：S-44）的第4版規(guī)范，將測量分為特級(jí)、一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)4個(gè)等級(jí)，利用CARIS商業(yè)軟件對(duì)無人艇采集多波束原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成后利用軟件自帶測線精度分析功能，針對(duì)后處理數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量精度評(píng)估。

利用CARIS HIPS and SIPS 水深后處理軟件，在剔除測線粗差后，其內(nèi)符合精度評(píng)估功能對(duì)測線數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到的IHOS-44的特級(jí)、1a級(jí)和2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的比對(duì)結(jié)果如圖9所示，可見，符合特級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)合格率高于76.617%，符合1a級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)合格率高于93.867%，符合2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)合格率高于98.609%。多波束測線數(shù)據(jù)質(zhì)量內(nèi)符合精度見表2。

圖9 多波束測線數(shù)據(jù)內(nèi)符合精度

表2 多波束測線數(shù)據(jù)質(zhì)量內(nèi)符合精度

（2）主測線—聯(lián)絡(luò)測線精度分析

將經(jīng)過后處理的聯(lián)絡(luò)測線數(shù)據(jù)與主測線的數(shù)字地形模型DTM進(jìn)行比較，這個(gè)數(shù)字地形模型由測量區(qū)域的所有主測線所創(chuàng)建。通過比較聯(lián)絡(luò)測線水深點(diǎn)水深值與主測線數(shù)字地形模型的交叉點(diǎn)深度不符值，對(duì)交叉點(diǎn)深度不符值進(jìn)行系統(tǒng)誤 差及粗差檢驗(yàn)。剔除系統(tǒng)誤差和粗差后，水深小于30 m時(shí)不符值限差為0.6 m，水深大于30 m時(shí)不符值限差為水深的2%；超限點(diǎn)數(shù)不得超過參加對(duì)比總點(diǎn)數(shù)的10%。評(píng)估方式利用主測線與聯(lián)絡(luò)測線交叉點(diǎn)水深值進(jìn)行水深測量精度評(píng)估，計(jì)算式為：

其中，M表示交叉點(diǎn)水深差值中誤差，id表示第i個(gè)交叉點(diǎn)的水深差值，n表示主測線與檢查線交叉點(diǎn)個(gè)數(shù)。

主測線以0.5 m網(wǎng)格間距進(jìn)行網(wǎng)格化，聯(lián)絡(luò)測線共有1 153 876個(gè)測點(diǎn)，重復(fù)測點(diǎn)水深差值基本信息統(tǒng)計(jì)見表3，調(diào)查區(qū)平均水深在30 m以內(nèi)，交叉點(diǎn)水深差值中誤差為0.11 m，滿足規(guī)范要求。

表3 水深差值基本信息統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語

在無人艇作業(yè)水域，尤其近岸人類活動(dòng)密集水域，或者洪災(zāi)發(fā)生水域，水流湍急，水質(zhì)渾濁，漂浮垃圾多，對(duì)無人艇性能要求非常高。“海洋探測1號(hào)”無人艇采用雙體、寬甲板平臺(tái)設(shè)計(jì)， 并通過升降機(jī)構(gòu)集成多波束換能器。這種設(shè)計(jì)可保證無人艇具備較高的航行姿態(tài)穩(wěn)定性，提高復(fù)雜水域無人艇任務(wù)執(zhí)行能力。經(jīng)應(yīng)用驗(yàn)證，“海洋探測1號(hào)”無人艇性能優(yōu)良，具備在復(fù)雜水域開展水下探測的能力。

在無人艇應(yīng)用到抗洪救災(zāi)的過程中，由于無人艇采集的多波束以及三維側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)，無法實(shí)時(shí)回傳，也無法進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，防洪堤壩水下地形的數(shù)據(jù)處理結(jié)果需要等待較長時(shí)間，這對(duì)于隨時(shí)會(huì)發(fā)生潰堤風(fēng)險(xiǎn)的防洪工作是不可接受的，數(shù)據(jù)處理不及時(shí)可能會(huì)給人民群眾造成巨大生命財(cái)產(chǎn)的損失。隨著海洋物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的傳感器及核心零部件的技術(shù)，尤其是復(fù)雜海洋環(huán)境下的數(shù)據(jù)感知和通信傳輸技術(shù)的突破[14]，目前在海洋無人艇上，海洋觀測設(shè)備采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳與實(shí)時(shí)同步處理技術(shù)正在被關(guān)注與研究，相關(guān)技術(shù)也正在被論證，海洋無人艇搭載各類儀器設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳與同步處理技術(shù)將為海洋觀測帶來巨大的便利性與實(shí)效性，對(duì)于構(gòu)建天基、海面、水下多傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)研究具有重要的意義。