水下無人運(yùn)輸平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

王書玉，張 瑋，李 磊

(海軍研究院, 北京 100171)

0 引 言

近幾年，人工智能、自動(dòng)駕駛及導(dǎo)航技術(shù)的進(jìn)步使得無人運(yùn)輸系統(tǒng)迅速發(fā)展，在水（面）陸空三種領(lǐng)域中產(chǎn)生了無人船、無人車以及無人機(jī)的新型運(yùn)輸工具和模式，同時(shí)大型無人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle, UUV）的發(fā)展使得水下貨運(yùn)成為新的運(yùn)輸方式，有望形成水下、水面、陸地及空中全方位運(yùn)輸系統(tǒng)[1-2]。

得益于相關(guān)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步及軍事需求，大型UUV近些年發(fā)展起來。不同運(yùn)輸方式具有不同特點(diǎn)[3-7]，其中水下物資運(yùn)輸能夠直接避免被空天偵察設(shè)備探測(cè)，并且相比于潛艇等水下物體，其體積較小，被聲吶探測(cè)的幾率也要小很多，因此在戰(zhàn)時(shí)，其物資輸送能力更加重要。

美國(guó)DARPA曾在2013年發(fā)布“水螅計(jì)劃”項(xiàng)目招標(biāo)文件，旨在開發(fā)一種戰(zhàn)場(chǎng)上隱蔽運(yùn)輸并部署小型無人機(jī)和UUV的大型UUV，如圖1所示。擬采用開放式標(biāo)準(zhǔn)模塊化技術(shù), 使母艇具有可擴(kuò)展性和低成本,能夠根據(jù)海軍作戰(zhàn)要求進(jìn)行快速反應(yīng)。

圖1 “水?！盪UV內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.1 UUV structure

水下補(bǔ)給運(yùn)輸方式不受海況和氣候影響，同時(shí)具備隱蔽性等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。本文從水下無人運(yùn)輸平臺(tái)的研發(fā)現(xiàn)狀出發(fā)，重點(diǎn)分析研發(fā)水下無人運(yùn)輸平臺(tái)面臨的關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)，為后續(xù)的實(shí)際工程研究提供參考。

1 水下無人運(yùn)輸關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)

1.1 動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)

水下無人運(yùn)輸平臺(tái)完成貨物裝載后，離開碼頭并駛出潟湖，相較于外海，潟湖內(nèi)空間閉塞，并有船舶等障礙物，需完成轉(zhuǎn)向、離港動(dòng)作，對(duì)低速可操縱性要求較高。全驅(qū)動(dòng)運(yùn)輸平臺(tái)操控靈活，但是其控制系統(tǒng)過于復(fù)雜、耗能較高，眾多的推進(jìn)器也大量擠占了運(yùn)輸平臺(tái)的運(yùn)載區(qū)、能源區(qū)的空間，降低了運(yùn)輸平臺(tái)的效能比。因此，大型無人運(yùn)輸平臺(tái)多采取欠驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，常見的有主推進(jìn)器+鰭舵或單矢量推進(jìn)器2種驅(qū)動(dòng)方案。

一般鰭舵主要布局有十字型和X型，如美國(guó)波音公司設(shè)計(jì)的Orca LDUUV就采用了主推進(jìn)器X型鰭舵，4個(gè)鰭舵呈X型正交布置、舵軸中心線 UUV中對(duì)稱面呈±45°夾角，如圖2所示。十字型舵與X型舵結(jié)構(gòu)相似只是布置角度不同，這種主推進(jìn)器+鰭舵的推進(jìn)效率高，技術(shù)成熟，缺點(diǎn)在于舵效隨推進(jìn)速度的降低衰弱明顯，運(yùn)輸U(kuò)UV在潟湖內(nèi)低速航行時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)快速機(jī)動(dòng)躲避障礙，容易造成危險(xiǎn)。矢量推進(jìn)方式是指通過轉(zhuǎn)動(dòng)推進(jìn)器或者導(dǎo)流片來改變尾流方向，產(chǎn)生多個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)力和力矩，在低速下具有良好的姿態(tài)控制效果。如美國(guó)藍(lán)旗金槍魚公司生產(chǎn)的Bluefin系列UUV均采用矢量推進(jìn)方式，如圖3所示。這種推進(jìn)器除了在直線方向提供推力外，還能同時(shí)或單獨(dú)控制UUV的縱傾、首搖，且轉(zhuǎn)向性能與速度大小相關(guān)性弱，低速轉(zhuǎn)向性較好[8]。

圖2 美國(guó)波音公司 Orca LDUUVFig.2 Boeing Orca LDUUV

圖3 美國(guó)Bulefin系列AUVFig.3 American Bulefin series AUV

泵噴推進(jìn)一般在船舶推進(jìn)比較常見，一般推力較大，效率也比較高，在高速下相比螺旋槳推進(jìn)器對(duì)空泡現(xiàn)象承受度較高，可以通過改變噴射方向或者鰭舵實(shí)現(xiàn)多自由度控制，其缺點(diǎn)在于僅有尾部能提供轉(zhuǎn)向力矩，應(yīng)用于運(yùn)輸U(kuò)UV入塢、靠岸時(shí)需較長(zhǎng)的規(guī)劃路徑進(jìn)行位置擺正，否則容易出現(xiàn)橫向速度較大，姿態(tài)擺正不及時(shí)的問題[9]。

結(jié)合控制難度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況，大型水下無人運(yùn)輸平臺(tái)可采用尾部矢量推進(jìn)器和首部側(cè)向推進(jìn)器結(jié)合的推進(jìn)方案，加強(qiáng)其低速操縱性，減少靠岸時(shí)用于擺正位置的路徑消耗，快速靠岸，以適應(yīng)島礁潟湖面積小、障礙多的特點(diǎn)。

1.2 模塊化載貨箱適配設(shè)計(jì)

1）載物箱儲(chǔ)存功能設(shè)計(jì)

運(yùn)輸平臺(tái)運(yùn)輸?shù)奈镔Y多樣，一般包括彈藥、血漿、藥品、食品、淡水、燃料、電子元件等，這些戰(zhàn)略物資對(duì)于防潮、防腐、防振、低溫等貯存條件的需求各不相同，為確保運(yùn)輸過程中物資安全[10]，送達(dá)后物資狀態(tài)良好，不致失效，需要對(duì)載物箱進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)以滿足物資對(duì)貯存條件和運(yùn)輸條件的的差異性需求，并符合相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

如德國(guó)大排量模塊化水下航行器項(xiàng)目（MUM）中，蒂森克虜伯海洋系統(tǒng)公司為MUM運(yùn)輸?shù)奈镔Y設(shè)計(jì)了如鋼瓶、氣囊、復(fù)合材料減震箱等多種內(nèi)包裝[11]，如圖4所示。通過在外部框架設(shè)置多條張力纜編織成網(wǎng)的方式，將內(nèi)包裝限制在一個(gè)較小的運(yùn)動(dòng)空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)固定。相較于如卡扣、螺釘?shù)葯C(jī)械固定，這種張力纜結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)有：張力纜能夠隨著內(nèi)包裝形狀差異產(chǎn)生適應(yīng)性變化，通用性好；多條張力纜由框架的不同節(jié)點(diǎn)出發(fā)交織在一起形成穩(wěn)定的包絡(luò)面，固定效果好；取放物資時(shí)僅需要改變張力纜的固定狀態(tài)，不需要拆解框架結(jié)構(gòu)，物資裝卸方便。

圖4 MUM項(xiàng)目的載貨箱Fig.4 Cargo containers for MUM project

2）載物箱結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)

水下無人運(yùn)輸平臺(tái)在水下行駛時(shí)承受著巨大水壓，高強(qiáng)度承壓殼體十分厚重且制造成本高昂，因此大中型水下無人運(yùn)輸平臺(tái)多采用非耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，僅對(duì)部分關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)耐壓殼體及水密艙[12]。為最大化載物空間，水下無人運(yùn)輸平臺(tái)載物區(qū)設(shè)計(jì)為非耐壓結(jié)構(gòu)，物資盛放在載物箱內(nèi)濕式運(yùn)輸。

載物箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一方面應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度和剛度，能夠承受吊放、回收及使用過程的載荷，另一方面應(yīng)具備低質(zhì)量特征，以增加UUV的有效負(fù)載能力，進(jìn)而提升整體性能。此外，非耐壓承載結(jié)構(gòu)還應(yīng)具有較高的固有頻率特征，以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。在運(yùn)輸U(kuò)UV中，為了最大化運(yùn)輸空間、提高載貨箱模塊通用性[13]，UUV往往要設(shè)計(jì)成殼體較薄、橫截面為矩形的結(jié)構(gòu)。運(yùn)輸U(kuò)UV貨艙區(qū)的結(jié)構(gòu)剛度主要由載貨箱骨架承擔(dān)，因此需要設(shè)計(jì)質(zhì)量輕薄、結(jié)構(gòu)剛度較高且便于裝卸的標(biāo)準(zhǔn)尺寸桁架結(jié)構(gòu)作為載貨箱骨架，如圖5所示。美國(guó)MUM項(xiàng)目的載貨箱骨架使用先進(jìn)復(fù)合材料制成的載貨箱骨架使用了六面體三角形桁架結(jié)構(gòu)，一端開口用于物資裝卸，載物箱尺寸未標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，不同型號(hào)的載物箱尺寸均為最小單元尺寸的整數(shù)倍，便于根據(jù)需要排列組合，利于集運(yùn)化運(yùn)輸、儲(chǔ)存[14-15]。

圖5 MUM項(xiàng)目的載貨箱骨架Fig.5 Cargo box framework of MUM project

1.3 智能航行技術(shù)

1）自主航行

要實(shí)現(xiàn)自主航行，首先需要感知外在環(huán)境和運(yùn)動(dòng)信息，建立類人理解模型，解釋航行要素，分析風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別；其次，需要規(guī)劃航線，制定航行策略。最后，設(shè)計(jì)航行控制器以實(shí)現(xiàn)對(duì)水下運(yùn)輸平臺(tái)的航行控制。

智能水下無人運(yùn)輸平臺(tái)發(fā)展的目標(biāo)是自主駕駛，然而，在此之前，智能水下無人運(yùn)輸平臺(tái)將處于預(yù)編程駕駛階段。自主航行駕駛問題復(fù)雜，涉及信息感知、態(tài)勢(shì)認(rèn)知、航行決策多個(gè)維度，需要逐一深入研究解決。

2）靠離泊與錨泊

靠離泊和錨泊屬于運(yùn)輸平臺(tái)航行中的典型復(fù)雜工況，長(zhǎng)期來看，靠離泊和錨泊可以實(shí)現(xiàn)無人化。無人靠離泊可以借助碼頭真空吸力設(shè)備以及擁有動(dòng)力定位實(shí)現(xiàn)，而錨泊則需要借助自動(dòng)錨泊機(jī)替代人工錨泊。但在此之前，無論是靠離泊還是錨泊，都將經(jīng)歷由遠(yuǎn)程操作實(shí)現(xiàn)的階段。

1.4 動(dòng)力能源技術(shù)

續(xù)航力就是海上運(yùn)輸平臺(tái)的生命力，現(xiàn)有水下運(yùn)輸平臺(tái)多采用蓄電池動(dòng)力，續(xù)航力普遍僅有10～40 h，大大限制了其作業(yè)效率。目前，世界各海洋強(qiáng)國(guó)均投入大量資金用于開發(fā)新型電池，主要技術(shù)路線如下：

1）開發(fā)高功率密度電池

美國(guó)LDUUV項(xiàng)目要求燃料電池容量達(dá)到1.8 MW·h，比能量達(dá)到1 (kW·h)/L，從而將續(xù)航力增加值70 d，期間可加注燃料實(shí)現(xiàn)多次啟停[16]。美國(guó)通用原子公司的高功率密度鋰離子容錯(cuò)（LiFT）電池（見圖6），具有模塊化設(shè)計(jì)和單節(jié)電池容錯(cuò)功能大大提高了使用安全性，由于LiFT具有被動(dòng)安全功能，自身能保持在安全溫度下運(yùn)行無需外加冷卻系統(tǒng)，降低了能源模塊的重量和復(fù)雜度，處于世界領(lǐng)先水平，獲得了美國(guó)Snakehead LDUUV項(xiàng)目的合同[17]。

圖6 Snakehead LDUUV及其LiFT電池Fig.6 Snakehead LDUUV and lift battery

美國(guó)麻省理工大學(xué)與L3 Techologies公司聯(lián)合開發(fā)了鋁-海水電池，該電池由活性鋁陽(yáng)極、堿性電解質(zhì)和多種元素合金陰極組成，海水作為氧化劑參與電池系統(tǒng)的電化學(xué)反應(yīng)，在陰極被分解成氫氧離子和氫氣，氫氧離子與鋁陽(yáng)極相互作用產(chǎn)生氫氧化鋁并釋放電子，為電路提供能量，氫氧化鋁和氫氣作為無害廢物被排出UUV。該電池僅在充滿海水時(shí)被激活，可在各種極端條件下表現(xiàn)出惰性，安全性高于鋰離子電池，其功率密度最高可達(dá)950Wh/L，具有較好的的發(fā)展前景[18]。

2）利用海洋能源充電

美國(guó)2009年研發(fā)出SOLO-TREC無人潛航器，是世界首個(gè)溫差能驅(qū)動(dòng)的無人潛航器，主要用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋科學(xué)勘察、海洋學(xué)研究等，如圖7所示。這種潛航器重84 kg，可在海平面與500 m深處往返運(yùn)行。SOLO-TREC無人潛航器利用體積隨溫度變化的相變材料為蓄電池充電，相變材料在海平面時(shí)遇熱體積膨脹，在深海時(shí)遇冷體積縮小，相變材料與油囊結(jié)合使用，膨脹/收縮過程中產(chǎn)生的高壓油可收集起來，定時(shí)釋放，從而驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)發(fā)電，每次潛水可給電池充電約1.6 Wh。由于海洋溫差沿豎直方向分布，因此溫差能充電系統(tǒng)并不適用于長(zhǎng)時(shí)間定深巡航的運(yùn)輸U(kuò)UV，但可以水下充電站相結(jié)合組成海上無人充電網(wǎng)絡(luò)，為運(yùn)輸U(kuò)UV提供充電服務(wù)。

圖7 美國(guó)SOLO-TREC無人潛航器及其溫差能發(fā)電系統(tǒng)Fig.7 SOLO-TREC unmanned underwater vehicle and its thermoelectric power generation system

1.5 重力重心調(diào)整技術(shù)

大排量欠驅(qū)動(dòng)運(yùn)輸U(kuò)UV由于其運(yùn)載的物資大小、形狀、數(shù)量各不相同，滿載航行時(shí)易出現(xiàn)重量分布不均勻、載荷配置不對(duì)稱的情況，使重心的實(shí)際坐標(biāo)與設(shè)計(jì)坐標(biāo)產(chǎn)生偏差，在實(shí)際航行過程中，UUV不得頻繁修正由于重心偏差造成的姿態(tài)不良現(xiàn)象，這不僅消耗了大量的能源，還對(duì)航行的安全性造成了嚴(yán)重的威脅，因此運(yùn)輸U(kuò)UV必須具有一定的重心糾偏能力。目前，較為成熟的UUV重心調(diào)節(jié)方案主要分為改變重力大小和調(diào)整質(zhì)量分布2種。

1）改變重力大小

通過控制壓載水艙的吸、排水，調(diào)整壓載水艙的重力進(jìn)而調(diào)整UUV在水中的姿態(tài)，其不足之處在于壓載水艙吸排水的同時(shí)會(huì)改變UUV的整體重力，破壞UUV在水中的中性浮力狀態(tài)，改進(jìn)方案是采用分散布置的多個(gè)獨(dú)立壓載水艙，如美國(guó)巴特爾公司研制的Proteus雙模水下運(yùn)載器（DMUV），如圖8所示。其艙內(nèi)設(shè)有6組環(huán)形布置的壓載水艙，能在自動(dòng)配平系統(tǒng)的指導(dǎo)下，自適應(yīng)的調(diào)節(jié)各水艙的水位高度，同時(shí)調(diào)整UUV的自身重力及質(zhì)量分布，補(bǔ)償由于運(yùn)載人數(shù)、貨物重量不同、位置分布不合理造成的重心偏移，大大提高了航行穩(wěn)定性。獨(dú)立壓載水艙不僅能用于運(yùn)輸U(kuò)UV的重心調(diào)節(jié)，還廣泛用于UUV進(jìn)行無動(dòng)力升沉、定深巡航、作業(yè)姿態(tài)調(diào)整等方面，具有重力調(diào)節(jié)范圍大、可靠性高的特點(diǎn)，缺點(diǎn)在于控制系統(tǒng)復(fù)雜、空間占用較多，嚴(yán)重?cái)D壓了運(yùn)輸U(kuò)UV的物資運(yùn)載空間。

圖8 美國(guó)Proteus DMUV 及內(nèi)部環(huán)形壓載水艙Fig.8 Proteus DMUV and internal annular ballast tank

2）調(diào)整質(zhì)量分布

調(diào)整質(zhì)量分布是指移動(dòng)UUV內(nèi)部重塊位置，調(diào)整UUV的重心坐標(biāo)。UUV內(nèi)部重塊的調(diào)整方向有沿Y軸運(yùn)動(dòng)和沿X軸運(yùn)動(dòng)2種。沿Y軸調(diào)整內(nèi)部重塊位置主要為了增加UUV的轉(zhuǎn)向性能，如美國(guó)佛羅里達(dá)大西洋大學(xué)的學(xué)者Bo Li提出，在UUV內(nèi)部設(shè)置沿Y軸運(yùn)動(dòng)的配重塊并在UUV轉(zhuǎn)向時(shí)移向轉(zhuǎn)角內(nèi)側(cè)（見圖9），產(chǎn)生繞x軸的力矩使UUV在轉(zhuǎn)向時(shí)同時(shí)產(chǎn)生首搖和橫搖，其原理類似于戰(zhàn)斗機(jī)高速轉(zhuǎn)向時(shí)飛行員同時(shí)操作方向舵和副翼，使轉(zhuǎn)向角外側(cè)機(jī)翼上抬，提升航行器轉(zhuǎn)向性能[19]。

圖9 可移動(dòng)配重塊Fig.9 Movable counterweight

沿X軸調(diào)整內(nèi)部重塊位置為了調(diào)整重心與浮心在X軸的投影點(diǎn)坐標(biāo)，調(diào)整UUV俯仰力矩，多見于水下滑翔機(jī)及一些特種UUV，如中國(guó)計(jì)量大學(xué)設(shè)計(jì)的MSAUV，其具有多級(jí)可分離功能載荷艙，可根據(jù)需要隨時(shí)分離、布放，如圖10所示。載荷艙呈負(fù)浮力，分離后剩余部分重心與浮心在X軸上的投影不重合，產(chǎn)生力矩使UUV發(fā)生縱傾，此時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)作為重塊的電池艙前移，彌補(bǔ)重心偏移量，使UUV重回穩(wěn)定狀態(tài)。大排量運(yùn)輸U(kuò)UV內(nèi)部空間充足，能利用物資排列間隙容納大行程的XY二軸重心調(diào)節(jié)滑臺(tái)，通過移動(dòng)多個(gè)配重單體的位置調(diào)節(jié)UUV重心，具有重心調(diào)節(jié)靈敏度高、對(duì)偏置載荷的適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)在于無法引入外部載荷，不能進(jìn)行重力調(diào)節(jié)[20]。

圖10 可分離功能載荷艙Fig.10 Separable function load module

運(yùn)輸U(kuò)UV由于運(yùn)載補(bǔ)給物資種類、數(shù)量不固定，盡管在進(jìn)行物資裝載時(shí)，后勤人員會(huì)嚴(yán)格按照預(yù)定的方案進(jìn)行貨物配裝，但無法避免出現(xiàn)偶然誤差，造成重力與浮力不相等、重心與浮心在X-Y平面投影不重合的現(xiàn)象，為實(shí)現(xiàn)安全、低耗航行帶來困難，因此運(yùn)輸U(kuò)UV的需同時(shí)具備重力調(diào)整、重心糾偏的功能。由于絕大多數(shù)貨物配裝都是按照預(yù)設(shè)方案執(zhí)行，配裝完成后實(shí)際重心坐標(biāo)與設(shè)計(jì)情況相差較小，對(duì)運(yùn)輸U(kuò)UV重心糾偏的能力要求將不會(huì)太大。運(yùn)輸U(kuò)UV可綜合分體式壓載水艙重力調(diào)節(jié)范圍大、重心糾偏滑臺(tái)靈敏度高的特點(diǎn)，將二者相結(jié)合，形成高效能比的融合式重力重心調(diào)整技術(shù)。

2 亟待解決的問題與展望

不同于水面、陸地及空中無人運(yùn)輸平臺(tái)，水下無人運(yùn)輸平臺(tái)由于其工作環(huán)境及應(yīng)用背景特殊性面臨著一些特有或共性問題亟需解決，具體如下：

1）目前衛(wèi)星通信幾乎覆蓋全球，且傳輸質(zhì)量較高，然而無法在水下使用，因此水下運(yùn)輸平臺(tái)目前需要解決的關(guān)鍵問題之一就是水下通信性能，需要從高效性、可靠性和安全性3個(gè)方面來考慮[21-22]。

2）為實(shí)現(xiàn)觀察外部航行環(huán)境和診斷內(nèi)部設(shè)備狀態(tài)，水下運(yùn)輸平臺(tái)需要具備多傳感器測(cè)量技術(shù)和多傳感器信息融合技術(shù)[23-24]。

3）為提高水下無人運(yùn)輸平臺(tái)自主決策智能性，水下運(yùn)輸平臺(tái)應(yīng)具備對(duì)航線的自主規(guī)劃和對(duì)航行行為的自主控制能力[25-28]，尤其在惡劣海況下，如果通信中斷，可自行采取一套應(yīng)對(duì)動(dòng)作，這就給研發(fā)自主控制系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。