無人艇的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

申云磊，高霄鵬

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無人艇的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

申云磊，高霄鵬

（海軍工程大學(xué)艦船與海洋學(xué)院，武漢 430033）

隨著無人技術(shù)在海洋平臺上的運(yùn)用，無人艇展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景。本文介紹了國內(nèi)外無人艇研發(fā)進(jìn)展情況，總結(jié)了目前無人艇的艇型、動力、材料、控制、運(yùn)用特點(diǎn)，指出了無人艇開發(fā)過程中的關(guān)鍵理論與技術(shù)難點(diǎn)，為下一步更加深入地研究提供參考。

無人艇 研究現(xiàn)狀 技術(shù)難點(diǎn)

0 引言

海洋空間包括水中與水面，智能運(yùn)載器包括智能水面無人艇、智能水下機(jī)器人以及無人水下機(jī)器人[1]。其中，無人艇即無人操作的水面艦艇，是將傳統(tǒng)船舶技術(shù)與無人技術(shù)相結(jié)合的新產(chǎn)物，具有無人自主、機(jī)動性強(qiáng)、隱身性能好、成本較低等特點(diǎn)，不論是在軍用還是民用領(lǐng)域都有著極大的應(yīng)用潛力，受到人們的廣泛關(guān)注。在我國全面加快海洋強(qiáng)國建設(shè)的進(jìn)程中，無人艇技術(shù)的發(fā)展對于維護(hù)我國海洋權(quán)益，促進(jìn)海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有非常重要的意義。

1 國內(nèi)外研究進(jìn)展

1.1 國外研究進(jìn)展

從上世紀(jì)末起，世界發(fā)達(dá)國家海軍開始普遍關(guān)注海上智能水面無人艇，其主要使命是保護(hù)部隊(duì)免受非對稱威脅的攻擊，通過網(wǎng)絡(luò)化的情報(bào)收集、監(jiān)視和偵察（ISR），增強(qiáng)戰(zhàn)場空間預(yù)警能力,爭奪信息優(yōu)勢，以集群方式對重點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行精確打擊等。隨著海洋主權(quán)觀念的不斷深化，世界各大海洋強(qiáng)國都將無人艇作為重要的研究方向[2]。美國和以色列在這一領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。

海上無人平臺的開發(fā)一直是美國海軍近年來關(guān)注的重點(diǎn)，早在2001年美國海軍研究辦公室提出瀕海戰(zhàn)斗艦的概念時，就明確提出水面無人高速艇。在2007年美國海軍發(fā)布了《海軍無人水面艇主計(jì)劃》，該計(jì)劃從滿足美國海軍戰(zhàn)略計(jì)劃、艦隊(duì)發(fā)展以及國防部到2020年部隊(duì)轉(zhuǎn)型的需求等方面，詳細(xì)介紹了美國海軍未來無人艇水面艦艇的發(fā)展計(jì)劃。早期較為典型的美軍海上無人平臺有90年代末開發(fā)的“OWL MK II”型無人艇。該艇初次亮相在波斯灣的軍事行動中，裝備有聲納和攝像頭，實(shí)現(xiàn)了水上水下的多方位偵查。而在2003年的先進(jìn)能力技術(shù)演示（ACTD）中，由美國、法國、新加坡聯(lián)合開發(fā)的“斯巴達(dá)人”號海上無人艇在這次演習(xí)中首次實(shí)現(xiàn)了無人艇與艦艇編隊(duì)的聯(lián)合演練，演練中該艇成熟地完成了多項(xiàng)ISR項(xiàng)目演示，此后該艇在波斯灣的軍事行動中也有亮相。2008年，首艘艦載海上無人平臺正式交付美國海軍，列裝于瀕海戰(zhàn)斗艦（LCS）。這是一艘M型滑行艇，全長11米，最大載重達(dá)到2.3噸，設(shè)計(jì)最大航速為35節(jié)，可持續(xù)航行一晝夜。同年，美國5G海上系統(tǒng)公司公布了其開發(fā)的兩艘新型海上無人平臺 “攔截者”和“日蝕”號，前者在最大航速上突破性的達(dá)到了45節(jié)，而后者則首次采用了太陽能電池作為能源，在續(xù)航能力上實(shí)現(xiàn)了突破。同時，為了完善航母編隊(duì)的水下密集防線，美國在無人艇水下搜潛方面也作了大量工作，并于2011年提出了反潛持續(xù)跟蹤無人艇（ACTUV），首次提出了半潛式反潛無人艇的概念設(shè)計(jì)。此后該方案經(jīng)改良，將原來的單體艇改型為三體船，以達(dá)到提升操縱性的目的。首艘試驗(yàn)船已于2016年4月正式下水試航。該船型總長40米，設(shè)計(jì)排水量為140噸，續(xù)航力達(dá)到4.27萬公里，航速最大可達(dá)27節(jié)，在5級海況以下可連續(xù)工作3個月。2014年8月在弗吉尼亞州尤斯蒂斯堡附近詹姆士河舉行的一次演習(xí)中，美國海軍對13艘無人水面巡邏艇（其中5艘采用自動控制，8艘采用遠(yuǎn)程遙控）進(jìn)行了“蜂群”作戰(zhàn)測試。試驗(yàn)中，美國海軍利用這13艘無人艇為一個重要目標(biāo)護(hù)航，途中利用無人艇群的傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)了模擬的敵方船只，艇群隨即做出反應(yīng)，包圍和攔截?cái)撤酱?，有效阻止威脅，測試中武器的射擊權(quán)仍掌握在控制人員手里。

2008年以色列海軍將艾爾比特公司研發(fā)的“銀槍魚”無人水面艇引入其水面作戰(zhàn)系統(tǒng)，該艇長約12米，艇殼采用復(fù)合材料，最高航速45節(jié)，續(xù)航力500千米。配合上此前已經(jīng)裝備了的“黃貂魚”和“保護(hù)者”型無人艇，其水上無人偵查體系初步成型。新加波海軍于2005年引進(jìn)了以色列所研制的“保護(hù)者”型無人艇，“保護(hù)者”無人艇配有整套的作戰(zhàn)控制系統(tǒng)，確保該型艇遂行多種多樣化海上任務(wù)。德國研究者在90年代末就開始了無人艇的研究，開發(fā)了MSSV III型多用途無人艇，可根據(jù)任務(wù)需要裝載任務(wù)模塊，實(shí)現(xiàn)水面?zhèn)刹旌脱策壍热蝿?wù)。2009年，法國開展“旗魚”無人艇研制項(xiàng)目，該項(xiàng)目是法國海軍未來反水雷項(xiàng)目計(jì)劃的一部分，旨在利用機(jī)器人技術(shù)提升反水雷作戰(zhàn)能力?！捌祠~”無人艇的演示艇于2011年下水，該艇長17米，排水量25噸。除上述國家外，還有許多國家也都積極開展無人艇相關(guān)技術(shù)的研究，開發(fā)自己的無人艇，比如英國的“FENRIR”、“MAST”無人艇，日本“UMV-H”、“OT-91”無人高速軍用艇，俄羅斯的“探索者”無人艇等。

1.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

我國對于無人艇技術(shù)的研究工作開展的相對較晚，自21世紀(jì)初，我國才開始廣泛進(jìn)行相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，尤其是在智能控制、遙感探測等領(lǐng)域形成了具備多項(xiàng)自主知識產(chǎn)權(quán)的成果。如基于無線網(wǎng)絡(luò)，通過岸邊基站和USV載體進(jìn)行控制的上海海事大學(xué)開發(fā)的“銀蛙”號雙體無人小艇，該艇可進(jìn)行多項(xiàng)檢測任務(wù)，包括近岸巡邏、水體采樣、水文測量、搜救打撈等。青島奧帆賽上，我國首次采用“天象1號”USV進(jìn)行氣象資料采集及檢測，該艇由中國航天科工集團(tuán)研制，船體使用碳纖維材料，同時具備智能駕控、定位、搜索和成像等實(shí)用功能。珠海云洲公司開發(fā)的“領(lǐng)航者”號無人艇，其推進(jìn)系統(tǒng)采用油電混合動力，最高可提供30節(jié)航速，能在1000公里范圍內(nèi)通過GPS或者北斗系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度定位自主航行、自主作業(yè)和自動避障，在近岸水下地貌測繪、海洋調(diào)查、島礁安防等領(lǐng)域得到了成功運(yùn)用。在2018年的春晚上，由該公司所設(shè)計(jì)的80余條小型無人船同時協(xié)同運(yùn)行，列隊(duì)成海上的“離弦之箭”穿過港珠澳大橋，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的小型無人船編隊(duì)航行。在2017年上海國際海事展上，哈爾濱工程大學(xué)展示了自主開發(fā)的“天行一號”智能無人艇，該艇采用深V艇型，油電混合動力（柴油機(jī)+噴水推進(jìn)/表面槳），最大航速達(dá)到80節(jié)，推進(jìn)系統(tǒng)使用靜音螺旋槳，隱蔽型好，生存能力強(qiáng)。

2 基本特點(diǎn)

2.1 艇型特點(diǎn)

這些海上無人艇在船型方面沒有明顯的限制，常規(guī)船型和特殊船型均有涉及，但整體上對于小型無人艇，大都采用高性能艇型，擁有較高水平的航海性能，目前運(yùn)用最為廣泛的艇型包括滑行艇、小水線面船，三體船等：滑行艇的特點(diǎn)是在高速情況下依靠水動升力滑行，在靜水中擁有優(yōu)異的快速性，但滑行艇對于重心位置敏感，容易產(chǎn)生海豚運(yùn)動，在波浪中也存在較為嚴(yán)重的砰擊問題[3]；小水線面船的設(shè)計(jì)思路是將大部分排水體積移至水線面深處，減小設(shè)計(jì)水線面積以減小引起船體運(yùn)動的波浪擾動力矩，因而小水線面船可以在惡劣海況下航行，但存在低速阻力大，對載重量的限制要求高等問題[4]；三體船充分利用片體之間的興波干擾特性，最大程度的減小總阻力，且穩(wěn)性好，但船體尺度大，多用于大型船舶，比如美軍正在研發(fā)的持續(xù)反潛無人艇。這些艇型在不同的工作環(huán)境下各有優(yōu)缺點(diǎn)，但無法同時具備高速、低功率、消波、適航性好、高穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)效益好的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 動力特點(diǎn)

由于柴油機(jī)的可靠性好，油料熱效率高，因而應(yīng)用比較廣泛?？紤]到無人艇執(zhí)行巡邏、反潛跟蹤等任務(wù)對續(xù)航力的要求，美海軍還在研究通過轉(zhuǎn)化太陽能、海浪能量等方式為無人艇提供持續(xù)不斷的能源供給。推進(jìn)器方式多采用舷外機(jī)（螺旋槳）和噴水推進(jìn)等。其中，螺旋槳結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、效率高，在水線以下而受到保護(hù)；噴水推進(jìn)具有優(yōu)異的操縱性和機(jī)動性、高航速下的推進(jìn)效率高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于小型高速無人艇。

2.3 材料特點(diǎn)

無人艇多采用玻璃鋼復(fù)合材料，可降低艇體受損程度和減少維修費(fèi)用。為加固艇體結(jié)構(gòu)和減輕艇重，可以大量使用碳纖維及輕質(zhì)復(fù)合材料取代傳統(tǒng)的鋼材料，艇的邊梁和框架也使用碳纖維材料。

2.4 控制特點(diǎn)

無人艇操控方式分為無人遙控、按既定方案運(yùn)行、自主運(yùn)行等方式，在完全自主運(yùn)行方式下，如果途中遇到障礙物，可通過目標(biāo)搜索識別系統(tǒng)和處理系統(tǒng)進(jìn)行避讓航行，對無人艇的智能化程度要求較高，實(shí)現(xiàn)也較為復(fù)雜。

2.5 應(yīng)用特點(diǎn)

無人艇大多采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)任務(wù)的不同，可搭載多種不同功能的模塊，主要用于執(zhí)行危險(xiǎn)以及不適于有人船只執(zhí)行的任務(wù)。一旦配備先進(jìn)的控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和武器系統(tǒng)，可以執(zhí)行多種戰(zhàn)爭和非戰(zhàn)爭軍事任務(wù)，比如，偵查、搜索、探測和排雷；搜救、導(dǎo)航和水文地理勘察；反潛作戰(zhàn)、反特種作戰(zhàn)、以及巡邏、打擊海盜、反恐攻擊等[5]。

3 技術(shù)難點(diǎn)

3.1 總體設(shè)計(jì)技術(shù)

高性能復(fù)合船型開發(fā)與優(yōu)化技術(shù)、水動力預(yù)報(bào)及測試技術(shù)、總體結(jié)構(gòu)形式選型與優(yōu)化技術(shù)、基于模塊化思想的無人艇載體設(shè)計(jì)和集成技術(shù)；在復(fù)雜海洋環(huán)境下無人艇高速航行的穩(wěn)定性理論與方法和無人艇的抗傾覆性、浮態(tài)自恢復(fù)能力研究。

3.2 環(huán)境感知技術(shù)

環(huán)境感知是基于多傳感器綜合探知外部環(huán)境信息的一個過程，是無人艇自主航行的關(guān)鍵技術(shù)之一。無人艇在執(zhí)行任務(wù)的水域航行時受到風(fēng)浪流的影響較大，需要解決在惡劣海況下，艇體在持續(xù)顛簸條件下的水面目標(biāo)探測和識別技術(shù)，這就需要開展在海面環(huán)境下障礙識別新理論和新方法研究，比如圖像預(yù)處理、濾波、邊緣增強(qiáng)、障礙物檢測以及動態(tài)背景和低信噪比條件下的目標(biāo)檢測方法研究，對多種傳感器獲取信息進(jìn)行融合處理，完成目標(biāo)的跟蹤、檢測、識別與軌跡預(yù)測。

3.3 自主決策與控制技術(shù)

主要內(nèi)容為復(fù)雜海洋環(huán)境下無人艇自主決策理論與方法，運(yùn)動的非線性控制理論與方法。自主決策和自動控制技術(shù)的高低體現(xiàn)了無人艇的智能化程度的高低?；诙鄠鞲衅餍畔⑷诤系淖灾鳑Q策是無人艇實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)動控制的關(guān)鍵技術(shù)。為了提高無人艇的自主能力，航跡規(guī)劃是必不可少的關(guān)鍵技術(shù)之一，基于電子海圖和給定航路約束點(diǎn)情況下，無人艇需要自主規(guī)劃出一條符合一定原則和約束條件的最優(yōu)路徑，采用在線規(guī)劃時還需滿足實(shí)時性要求，同時還要解決在動態(tài)目標(biāo)威脅下的局部避碰規(guī)劃問題。

3.4 武器發(fā)射控制技術(shù)

無人艇在執(zhí)行各類軍事任務(wù)需要搭載不同的任務(wù)模塊，要求無人艇能夠攜載和投送武器[6]。在實(shí)際運(yùn)行中由于復(fù)雜海況導(dǎo)致無人艇無法可靠的跟蹤、瞄準(zhǔn)目標(biāo)并實(shí)施攻擊。目前的無人艇大多用遙控式武器站，在工作人員的參與下才能正確的打擊目標(biāo)。

3.5 布放回收技術(shù)

能否安全、自動、便捷的回收是影響無人艇高效任務(wù)的關(guān)鍵。由于艇體自身重量大，海上風(fēng)浪流情況復(fù)雜，在無人艇的布放與回收過程中，很容易造成無人艇和母船的損壞。USV一般通過大型水面艦船平臺進(jìn)行布放和回收，主要采用吊放和斜槽兩種方式，在低海況、低航速下，這兩種方式具有可行性，但仍然存在效率低、安全性差、人員素質(zhì)要求高等缺點(diǎn)。在布放回收技術(shù)領(lǐng)域，美國的水平最高，發(fā)展最快。為解決技術(shù)難題，美國海軍開發(fā)了助力拖拽吊艙、自動導(dǎo)引鉤錨系統(tǒng)用于輔助人力進(jìn)行無人艇回收，大大提高了效率和安全系數(shù)。美國物理科學(xué)公司開發(fā)的新型布放回收系統(tǒng)，可使“斯巴達(dá)偵察兵”無人艇在母艦速度15~20節(jié)航行時實(shí)現(xiàn)布放回收。另外美國密歇根州航空公司開發(fā)出一套近海戰(zhàn)斗艦充氣式布放回收系統(tǒng)用于解決高航速、高海況下無人艇布放回收難的問題。

4 結(jié)語

本文對無人艇的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了簡要闡述，總結(jié)了無人艇的特點(diǎn)，分析了無人艇開發(fā)過程中的技術(shù)難點(diǎn)。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)的發(fā)展，無人艇正朝著模塊化、智能化、體系化、標(biāo)準(zhǔn)化等方向發(fā)展，其執(zhí)行任務(wù)也呈多樣化趨勢。不論是軍事還是民事運(yùn)用上，無人艇必將發(fā)揮更重要的作用。我國目前無人艇的研究距國外尚有一定的差距，有關(guān)部門應(yīng)該制定相關(guān)規(guī)劃，積極開展無人艇相關(guān)技術(shù)的研究，在軍民融合深度發(fā)展的大背景下，推進(jìn)無人艇的實(shí)用化進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)海洋強(qiáng)國之夢。

[1] 徐玉如, 蘇玉民,龐永杰. 海洋空間智能無人運(yùn)載器技術(shù)發(fā)展展望[J]. 中國艦船研究, 2006, 15(3): 2-4.

[2] 萬接喜. 外軍無人水面艇發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J]. 國防科技,2014, 35(5): 91-96.

[3] 董祖舜. 快艇動力學(xué)[M]. 武漢: 華中理工大學(xué)出版社，1991.

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[5] 李家良. 水面無人艇發(fā)展與應(yīng)用[J]. 火力與指揮控制, 2012, 6(37): 203-207.

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Research Status and Progress of Unmanned Surface Vehicle

Shen Yunlei, Gao Xiaopeng

(Academy of Ship and Ocean, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

U674

A

1003-4862（2018）09-0007-04

2018-4-28

申云磊（1994-），男，碩士研究生。研究方向：船舶與工程。Email: chouqinbao163@.com

高宵鵬（1971-），女，副教授。研究方向：艦船流體動力性能。E-mail: xiaopenggao@sina.com