三體無(wú)人救助艇設(shè)計(jì)與研發(fā)

王緒明， 宋學(xué)敏， 余向前， 劉維勤， 黃 珍, 丁 凱

(武漢理工大學(xué) 1a.國(guó)家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心；1b.高性能船舶技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 1c.自動(dòng)化學(xué)院,武漢 430063；2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司 電力科學(xué)研究院， 武漢 430077)

隨著國(guó)際貿(mào)易往來(lái)的增加，海上船舶日益增多，海事事故頻發(fā)，通常遇難、遇險(xiǎn)時(shí)伴隨著惡劣的海洋環(huán)境。有人巡航救助平臺(tái)建設(shè)具有投資大、布點(diǎn)少及航速低的缺點(diǎn)，在惡劣海況下的安全救助和有效作業(yè)難以保證，較低的航速也會(huì)失去第一救援時(shí)間。高精度導(dǎo)航、智能化與無(wú)人駕駛高速船可滿(mǎn)足各種海況下的出航率和航行精準(zhǔn)度；高精度導(dǎo)航可保障事發(fā)地點(diǎn)救助的準(zhǔn)確性和有效性；無(wú)人駕駛高速船可確保救助的時(shí)效性，實(shí)現(xiàn)第一時(shí)間救助。因此，智能巡航救助船可顯著提升中國(guó)海事、中國(guó)漁政和交通運(yùn)輸部中國(guó)海上搜救中心等海上救助部門(mén)的搜救能力。人工智能技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新和應(yīng)用以及船舶的無(wú)人化、智能化必將成為水運(yùn)行業(yè)的發(fā)展方向。[1]武漢理工大學(xué)智能交通系統(tǒng)研究中心研發(fā)一種具有自主智能避碰巡航、海事救助功能的三體無(wú)人艇。

目前，國(guó)內(nèi)海上救助任務(wù)仍需大量的專(zhuān)業(yè)搜救人員參與，相關(guān)救助設(shè)備也都需要人工操作。在高海況下，搜尋遇險(xiǎn)人員難，援救遇險(xiǎn)人員更難。高海況下無(wú)人艇(Unmanned Surface Vessel,USV)的性能、姿態(tài)控制和自動(dòng)化救援設(shè)備的研制等問(wèn)題成為阻礙海上無(wú)人救援設(shè)備發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。因此，我國(guó)亟需進(jìn)行智能無(wú)人駕駛救助艇的前瞻性技術(shù)探索和研究。

1 無(wú)人駕駛巡航救助艇的船型設(shè)計(jì)

1.1 基于耐波性的船型論證

針對(duì)高海況條件下的無(wú)人駕駛巡航救助艇船型的耐波性能進(jìn)行論證，優(yōu)選出滿(mǎn)足無(wú)人駕駛巡航救助艇作業(yè)需求的船型。

選取單體船、雙體船及三體船等3類(lèi)船型為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值方法進(jìn)行不同頻率、不同浪向規(guī)則波象的船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)預(yù)報(bào)并根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行不同浪向規(guī)則波和不規(guī)則波國(guó)際拖曳水池會(huì)議(International Towing Tank Conference,ITTC)波浪譜條件下的船舶運(yùn)動(dòng)模擬。[2]為保證對(duì)比論證的合理性，各船型模型均采用折角船型，且單體船、雙體船片體、三體船主體與片體的船型均通過(guò)船型的仿射變換得到。單體船、雙體船和三體船的數(shù)值模型見(jiàn)圖1～圖3。不規(guī)則波中橫浪時(shí)單體船、雙體船和三體船的升沉運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。其中，不規(guī)則波中的船模耐波性預(yù)報(bào)，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，采用ITTC雙參數(shù)波浪譜，其極限海況的波浪參數(shù)為：波高15.85 m，平均周期14.7 s。

圖1 單體船型模型

圖2 雙體船型模型

圖3 三體船型模型

影響無(wú)人駕駛巡航救助艇安全性的主要因素為橫搖,其次為縱搖，而過(guò)大的升沉運(yùn)動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致船體躍出水面或在跌落時(shí)受到較大的砰擊載荷。

1) 選擇船型時(shí),先分析橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng):迎浪或隨浪時(shí)3種船型均無(wú)橫搖；橫浪時(shí)單體船的橫搖角度明顯高于其他兩種船型，三體船則略高于雙體船；斜浪時(shí)雙體船的橫搖情況明顯惡化，甚至部分時(shí)刻的幅值高于單體船，而三體船明顯低于其他兩種船型。

圖4 不規(guī)則波中各船型橫浪升沉運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線(xiàn)

2) 分析縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng):橫浪時(shí)3種船型中雙體船的幅值略高，其他兩種船型相對(duì)略低且差別不明顯；斜浪時(shí)雙體船的縱搖運(yùn)動(dòng)幅值明顯高于其他兩種船型。

3) 考慮升沉運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析，橫浪時(shí)單體船的升沉運(yùn)動(dòng)最大，斜浪時(shí)雙體船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最大。

因此,可得到以下結(jié)論：

(1) 單體船在橫浪與斜浪中的橫搖運(yùn)動(dòng)幅值較大，不適合作為無(wú)人駕駛巡航救助艇的船型；

(2) 雙體船在斜浪中耐波性能急劇惡化，往往出現(xiàn)躍出水面又跌回水中的現(xiàn)象，導(dǎo)致船體砰擊壓力較大，也不適合作為無(wú)人駕駛巡航救助艇的船型；

(3) 對(duì)于三體船而言，少部分工況的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)略高于單體和雙體船型，但不顯著。在大部分工況中，三體船型的耐波性能明顯更好。

1.2 三體船的拖曳試驗(yàn)

三體船相對(duì)常規(guī)單體船、雙體船是一種新船型。[3-5]三體船的設(shè)計(jì)兼具快速性、低消耗、適航性和良好的操縱性的優(yōu)點(diǎn)。無(wú)人駕駛巡航救助艇采用的船體型線(xiàn)具有其特殊性，融合常規(guī)高速船、三體船、USV和游艇的相關(guān)設(shè)計(jì)理念與成功經(jīng)驗(yàn)是為無(wú)人駕駛巡航救助艇定制的新船型。

為探索和觀(guān)測(cè)船舶高速運(yùn)行時(shí)三體船的阻力情況，設(shè)計(jì)并制作縮尺比船模，與中國(guó)特種飛行器研究所進(jìn)行船模的拖曳試驗(yàn)，觀(guān)測(cè)無(wú)人駕駛巡航救助艇在海上高速航行的狀態(tài)。變換組合三體船兩片體和主體的相對(duì)位置，測(cè)量得到各工況下模型船的阻力性能、縱傾角和升沉等參數(shù)，找出阻力性能最優(yōu)的主/片體相對(duì)位置，為船舶的型線(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供指導(dǎo)與參考依據(jù)。

綜合考慮水池的寬度等因素，選取實(shí)船和模型船縮尺比為1∶4，實(shí)際船和模型船的主尺度參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)?zāi)Ｐ痛霸谒畡?dòng)力試驗(yàn)室加工、材料木質(zhì)、模型船表面經(jīng)打磨光滑、噴漆處理，通過(guò)檢驗(yàn)符合“一般排水量船模阻力試驗(yàn)規(guī)程和結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)形式(CB*/Z 244—1988)”中的允差標(biāo)準(zhǔn)。為考慮兩片體和柱體布置位置對(duì)船體的阻力性能、縱傾角等的影響，選取21個(gè)典型工況，進(jìn)行拖曳試驗(yàn)。各工況主片體布置詳情見(jiàn)表2,其中:縱向-225是指片體在主體后225 mm位置;橫向600是指片體中縱剖面與主體中縱剖面相距600 mm，以此類(lèi)推。

表1 實(shí)船與船模的主尺度參數(shù)

本試驗(yàn)主要分為兩個(gè)階段：

1) 通過(guò)主體設(shè)計(jì)載荷試驗(yàn)時(shí)的興波情況，找出兩片體相對(duì)于主體的位置。

2) 通過(guò)模型船舶試驗(yàn)測(cè)得三體船兩片體的6個(gè)相對(duì)布置位置，每個(gè)布置位置3種排水量的阻力、航行姿態(tài)角以及升沉。船模的阻力隨著拖曳速度的增大逐漸增大,見(jiàn)圖5。當(dāng)船速達(dá)到10 kn/s時(shí)，船舶的縱傾角度達(dá)到最大值,見(jiàn)圖6。船模的升沉運(yùn)動(dòng)隨著拖曳速度的增加而增加,見(jiàn)圖7。

表2 試驗(yàn)工況表

圖5 各工況靜水阻力曲線(xiàn)

圖6 各工況縱傾曲線(xiàn)

圖7 各工況升沉曲線(xiàn)

觀(guān)察試驗(yàn)所得阻力、航行姿態(tài)角以及升沉曲線(xiàn)可知，各工況下片體位置前置時(shí)的阻力比其他各工況都小。由于此三體艏部尖廋使船舶的浮心靠后，綜合考慮船舶浮心和重心位置，選擇片體中后置方案。

1.3 總布置設(shè)計(jì)

三體無(wú)人巡航救助艇相對(duì)于常規(guī)船舶，其總布置特殊性體現(xiàn)在其操作方式上——無(wú)人駕駛、環(huán)境感知、智能控制。機(jī)艙和自動(dòng)控制設(shè)備需成為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的封閉空間，既要保證各種設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，又要避免被救起人員誤入機(jī)艙，造成機(jī)器或人員損害。此外其最大的特殊性體現(xiàn)在船舶功能上——救助艇,要求船舶根據(jù)不同的救助方式選取相應(yīng)的救助手段和設(shè)備，船舶的一切設(shè)計(jì)要以傷員的救助和安置為首要考量，對(duì)三體無(wú)人救助艇的總布置提出更高的要求。

三體無(wú)人高速巡航搜救船的總布置，主要從整體外觀(guān)、系統(tǒng)效能和增長(zhǎng)潛力等3方面入手。根據(jù)三體無(wú)人高速巡航搜救船的自身特點(diǎn)，對(duì)其總布置進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。

1.3.1整體外觀(guān)

船舶的總布置設(shè)計(jì)不可避免地要考慮到外觀(guān)設(shè)計(jì)。外形設(shè)計(jì)的優(yōu)劣、是否具有美感以及其易用性等是需要綜合考慮的因素。USV是復(fù)雜的水上建筑，其外觀(guān)是否具有現(xiàn)代氣息，如何體現(xiàn)我國(guó)現(xiàn)代化水平，也是總布置設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的一項(xiàng)指標(biāo)。

1.3.2系統(tǒng)效能

為有效地完成預(yù)設(shè)任務(wù)，總布置必須完備。充分利用有限的空間，保證技術(shù)的水平發(fā)揮和良好的居住性，確保人員得到良好的休息以實(shí)現(xiàn)救援任務(wù)：離開(kāi)母船；行駛至救援點(diǎn)；搜索并開(kāi)展救援任務(wù)；搭載傷員返航。這整個(gè)救助任務(wù)順利完成。

1.3.3增長(zhǎng)潛力

增長(zhǎng)潛力是指隨著新技術(shù)更新速度的加快。為有效地實(shí)行海上救助任務(wù)，三體無(wú)人救助船很可能面臨各種各樣的救援環(huán)境，或者進(jìn)行一些非救助性質(zhì)的特殊任務(wù)，包括海洋勘探、氣候偵測(cè)、海上巡邏等。

通過(guò)以上各個(gè)方面的綜合考量，最終確定三體無(wú)人救助艇總布置圖見(jiàn)圖8，實(shí)船見(jiàn)圖9。

圖8 三體無(wú)人救助艇總布置圖圖9 三體無(wú)人救助艇實(shí)船

2 無(wú)人艇智能控制平臺(tái)

2.1 “航行腦”系統(tǒng)

“航行腦”系統(tǒng)是服務(wù)于三體無(wú)人救助艇的智能平臺(tái)，由感知、認(rèn)知、決策和執(zhí)行等功能空間組成。在無(wú)人救助艇航行過(guò)程中，由于外部環(huán)境的不確定性和本身運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)變性，駕駛行為譜具有多樣性的特點(diǎn)。不同水域條件和管制要求，船舶的避讓、航行規(guī)則都有較大的變化。機(jī)器學(xué)習(xí)是解決無(wú)人救助艇行為描述與建模的有效工具。然而，傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法需要大量的訓(xùn)練樣本；對(duì)于船舶的駕駛行為尤其在復(fù)雜、危險(xiǎn)場(chǎng)景下，由于可采集到的樣本量較少，無(wú)法保證學(xué)習(xí)過(guò)程的有效性。因此，使用稀疏矩陣、稀疏編碼等方法，提出基于小樣本量且適合船舶駕駛行為理解的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，增強(qiáng)“航行腦”系統(tǒng)的認(rèn)知、學(xué)習(xí)能力，建立駕駛行為譜的描述機(jī)制。

2.2 智能通信網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)

現(xiàn)有的單一網(wǎng)絡(luò)服務(wù)不能完全滿(mǎn)足USV通信網(wǎng)絡(luò)多樣性和個(gè)性化的需求。因此，本研究采用多種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的融合解決單一網(wǎng)絡(luò)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，異構(gòu)融合通信網(wǎng)絡(luò)的研究是當(dāng)前通信領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。本船舶設(shè)計(jì)采用基于圖傳電臺(tái)、4G/5G路由服務(wù)器和海事衛(wèi)星通信等多種通信方式構(gòu)建多模態(tài)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)見(jiàn)圖10。測(cè)控地面站主要通過(guò)圖傳電臺(tái)、4G/5G路由服務(wù)器、衛(wèi)星通信等無(wú)線(xiàn)鏈路接收無(wú)人艇平臺(tái)的位置、姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、工作狀態(tài)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)對(duì)其遠(yuǎn)程遙控。

圖10 無(wú)人駕駛多功能海事船艇多模異構(gòu)通信 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

3 海上人員救助系統(tǒng)

3.1 海上自主巡航系統(tǒng)

無(wú)人救助艇常態(tài)巡航是根據(jù)目標(biāo)水域環(huán)境規(guī)劃航行的?！昂叫心X”實(shí)時(shí)送出無(wú)人艇航向、航速指令，按照預(yù)規(guī)劃航線(xiàn)勻速巡航,在航行過(guò)程中實(shí)時(shí)收集周?chē)系K物信息和海上其他船舶的位置、航速信息，同時(shí)實(shí)現(xiàn)自主避碰和海上巡航監(jiān)督。[6-8]

無(wú)人救助艇在搜救巡航時(shí)，有區(qū)分目的地航行和搜救水域航行兩種模式。目的地航行是在保持航向精確性和續(xù)航性，航向改變的決策是機(jī)動(dòng)性和安全條件下的轉(zhuǎn)向快速性。搜救水域航行是在給定的搜救水域內(nèi)分區(qū)巡航，搜救裝備識(shí)別、鎖定目標(biāo)為優(yōu)先航行指令。自主航行系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖11。無(wú)人救助艇自主航行執(zhí)行過(guò)程如下：

圖11 自主航行系統(tǒng)框圖

1) 母船(或岸基)通過(guò)遠(yuǎn)程通信將目的地位置信息發(fā)送給無(wú)人救助艇，通過(guò)航線(xiàn)規(guī)劃模塊以最優(yōu)路徑原則規(guī)劃設(shè)計(jì)出航線(xiàn)節(jié)點(diǎn)和航向轉(zhuǎn)向點(diǎn)。

2) 實(shí)時(shí)采集位置信息，航向控制器模塊根據(jù)給定航向與當(dāng)前航向進(jìn)行比較，計(jì)算出當(dāng)前航向偏差，采用比例-微分-積分(Proportional Integral Differential,PID)控制算法得出合適的噴射角度，傳輸給噴水推進(jìn)系統(tǒng)控制器。

3) 實(shí)時(shí)采集船速信息，航速控制器模塊根據(jù)給定船速與當(dāng)前船速進(jìn)行比較，計(jì)算出合適的推進(jìn)器轉(zhuǎn)速，輸出給噴水推進(jìn)系統(tǒng)控制器。

4) 實(shí)時(shí)采集超前探測(cè)儀、雷達(dá)等傳感器信息，將得到的動(dòng)、靜態(tài)障礙物距離方位信息發(fā)送到自主避碰模塊，運(yùn)用智能避碰算法輸出給定船速和給定航向，分別傳輸給對(duì)應(yīng)給定航向處理模塊和給定航速控制器模塊。

3.2 冷熱紅外光電跟蹤系統(tǒng)

光電跟蹤系統(tǒng)為冷熱紅外探測(cè)儀，集成全方位/俯仰云臺(tái)的成像儀，能提供360°全方位有效搜索水域范圍內(nèi)的遇險(xiǎn)人員信息。一旦搜索識(shí)別出水上人員信息，采用多目標(biāo)手法加以鎖定，同時(shí)警示母船(或岸基)比對(duì)確認(rèn)。探測(cè)儀與無(wú)人救助艇的救助裝置控制系統(tǒng)相連接，由母船(或岸基)發(fā)出自動(dòng)釋放、遙控釋放救助裝置的指令，實(shí)施相應(yīng)方式的救助。

3.3 海上人員救助系統(tǒng)

針對(duì)無(wú)人救助艇的自動(dòng)救援設(shè)備種類(lèi)相對(duì)匱乏的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一套柔性空投式救生筏自動(dòng)投射裝置側(cè)視圖見(jiàn)圖12,包含布置在無(wú)人救助艇上的壓縮空氣儲(chǔ)氣罐和釋放裝置，柔性空投式救生筏以及拋射裝置。當(dāng)無(wú)人救助艇到達(dá)救援目標(biāo)區(qū)域附近時(shí)，利用高壓儲(chǔ)氣罐釋放出的高壓氣體，經(jīng)導(dǎo)氣管路進(jìn)入拋射筒內(nèi)的增壓氣腔中，當(dāng)高壓氣體達(dá)到額定氣壓時(shí)，壓力開(kāi)關(guān)閥釋放高壓氣體，將柔性空投式救生筏拋出。柔性空投式救生筏落水后自動(dòng)展開(kāi)，搭救落水人員，筏索與無(wú)人救助艇相連。

圖12 氣脹救生筏投射裝置側(cè)視圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文論述小型三體無(wú)人救助艇船型選擇比較的方法，獲得優(yōu)良的主片體相對(duì)位置布置及船舶型線(xiàn)，總體優(yōu)化設(shè)計(jì)三體無(wú)人救助艇的總布置。研發(fā)三體無(wú)人救助艇的“航行腦”系統(tǒng)智能控制平臺(tái)、智能通信網(wǎng)關(guān)、智能自主航行系統(tǒng)、遇險(xiǎn)人員救助裝置，利用冷熱紅外光電跟蹤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遇險(xiǎn)人員的救助。通過(guò)多學(xué)科的融合，集成無(wú)人救助艇相關(guān)專(zhuān)業(yè)的研究成果，完成三體無(wú)人救助艇的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)研發(fā)工作。當(dāng)然，USV的研究工作尚需拓展、深入，如母船(或岸基)之間不間斷、無(wú)延時(shí)的遠(yuǎn)程通信保障,系統(tǒng)的高可靠性,網(wǎng)絡(luò)的安全保證,USV的適航性、自健康、自回收、長(zhǎng)生存能力等。