无人艇的研究现状与进展

2018-03-22申云磊高霄鹏

船电技术 2018年9期

关键词：无人

申云磊，高霄鹏

无人艇的研究现状与进展

申云磊，高霄鹏

（海军工程大学舰船与海洋学院，武汉 430033）

随着无人技术在海洋平台上的运用，无人艇展现出了巨大的应用前景。本文介绍了国内外无人艇研发进展情况，总结了目前无人艇的艇型、动力、材料、控制、运用特点，指出了无人艇开发过程中的关键理论与技术难点，为下一步更加深入地研究提供参考。

无人艇研究现状技术难点

0 引言

海洋空间包括水中与水面，智能运载器包括智能水面无人艇、智能水下机器人以及无人水下机器人[1]。其中，无人艇即无人操作的水面舰艇，是将传统船舶技术与无人技术相结合的新产物，具有无人自主、机动性强、隐身性能好、成本较低等特点，不论是在军用还是民用领域都有着极大的应用潜力，受到人们的广泛关注。在我国全面加快海洋强国建设的进程中，无人艇技术的发展对于维护我国海洋权益，促进海洋经济的发展具有非常重要的意义。

1 国内外研究进展

1.1 国外研究进展

从上世纪末起，世界发达国家海军开始普遍关注海上智能水面无人艇，其主要使命是保护部队免受非对称威胁的攻击，通过网络化的情报收集、监视和侦察（ISR），增强战场空间预警能力,争夺信息优势，以集群方式对重点目标进行精确打击等。随着海洋主权观念的不断深化，世界各大海洋强国都将无人艇作为重要的研究方向[2]。美国和以色列在这一领域处于领先地位。

海上无人平台的开发一直是美国海军近年来关注的重点，早在2001年美国海军研究办公室提出濒海战斗舰的概念时，就明确提出水面无人高速艇。在2007年美国海军发布了《海军无人水面艇主计划》，该计划从满足美国海军战略计划、舰队发展以及国防部到2020年部队转型的需求等方面，详细介绍了美国海军未来无人艇水面舰艇的发展计划。早期较为典型的美军海上无人平台有90年代末开发的“OWL MK II”型无人艇。该艇初次亮相在波斯湾的军事行动中，装备有声纳和摄像头，实现了水上水下的多方位侦查。而在2003年的先进能力技术演示（ACTD）中，由美国、法国、新加坡联合开发的“斯巴达人”号海上无人艇在这次演习中首次实现了无人艇与舰艇编队的联合演练，演练中该艇成熟地完成了多项ISR项目演示，此后该艇在波斯湾的军事行动中也有亮相。2008年，首艘舰载海上无人平台正式交付美国海军，列装于濒海战斗舰（LCS）。这是一艘M型滑行艇，全长11米，最大载重达到2.3吨，设计最大航速为35节，可持续航行一昼夜。同年，美国5G海上系统公司公布了其开发的两艘新型海上无人平台 “拦截者”和“日蚀”号，前者在最大航速上突破性的达到了45节，而后者则首次采用了太阳能电池作为能源，在续航能力上实现了突破。同时，为了完善航母编队的水下密集防线，美国在无人艇水下搜潜方面也作了大量工作，并于2011年提出了反潜持续跟踪无人艇（ACTUV），首次提出了半潜式反潜无人艇的概念设计。此后该方案经改良，将原来的单体艇改型为三体船，以达到提升操纵性的目的。首艘试验船已于2016年4月正式下水试航。该船型总长40米，设计排水量为140吨，续航力达到4.27万公里，航速最大可达27节，在5级海况以下可连续工作3个月。2014年8月在弗吉尼亚州尤斯蒂斯堡附近詹姆士河举行的一次演习中，美国海军对13艘无人水面巡逻艇（其中5艘采用自动控制，8艘采用远程遥控）进行了“蜂群”作战测试。试验中，美国海军利用这13艘无人艇为一个重要目标护航，途中利用无人艇群的传感器网络发现了模拟的敌方船只，艇群随即做出反应，包围和拦截敌方船只，有效阻止威胁，测试中武器的射击权仍掌握在控制人员手里。

2008年以色列海军将艾尔比特公司研发的“银枪鱼”无人水面艇引入其水面作战系统，该艇长约12米，艇壳采用复合材料，最高航速45节，续航力500千米。配合上此前已经装备了的“黄貂鱼”和“保护者”型无人艇，其水上无人侦查体系初步成型。新加波海军于2005年引进了以色列所研制的“保护者”型无人艇，“保护者”无人艇配有整套的作战控制系统，确保该型艇遂行多种多样化海上任务。德国研究者在90年代末就开始了无人艇的研究，开发了MSSV III型多用途无人艇，可根据任务需要装载任务模块，实现水面侦察和巡逻等任务。2009年，法国开展“旗鱼”无人艇研制项目，该项目是法国海军未来反水雷项目计划的一部分，旨在利用机器人技术提升反水雷作战能力。“旗鱼”无人艇的演示艇于2011年下水，该艇长17米，排水量25吨。除上述国家外，还有许多国家也都积极开展无人艇相关技术的研究，开发自己的无人艇，比如英国的“FENRIR”、“MAST”无人艇，日本“UMV-H”、“OT-91”无人高速军用艇，俄罗斯的“探索者”无人艇等。

1.2 国内研究进展

我国对于无人艇技术的研究工作开展的相对较晚，自21世纪初，我国才开始广泛进行相关的关键技术的攻关，尤其是在智能控制、遥感探测等领域形成了具备多项自主知识产权的成果。如基于无线网络，通过岸边基站和USV载体进行控制的上海海事大学开发的“银蛙”号双体无人小艇，该艇可进行多项检测任务，包括近岸巡逻、水体采样、水文测量、搜救打捞等。青岛奥帆赛上，我国首次采用“天象1号”USV进行气象资料采集及检测，该艇由中国航天科工集团研制，船体使用碳纤维材料，同时具备智能驾控、定位、搜索和成像等实用功能。珠海云洲公司开发的“领航者”号无人艇，其推进系统采用油电混合动力，最高可提供30节航速，能在1000公里范围内通过GPS或者北斗系统实现高精度定位自主航行、自主作业和自动避障，在近岸水下地貌测绘、海洋调查、岛礁安防等领域得到了成功运用。在2018年的春晚上，由该公司所设计的80余条小型无人船同时协同运行，列队成海上的“离弦之箭”穿过港珠澳大桥，实现了大规模的小型无人船编队航行。在2017年上海国际海事展上，哈尔滨工程大学展示了自主开发的“天行一号”智能无人艇，该艇采用深V艇型，油电混合动力（柴油机+喷水推进/表面桨），最大航速达到80节，推进系统使用静音螺旋桨，隐蔽型好，生存能力强。

2 基本特点

2.1 艇型特点

这些海上无人艇在船型方面没有明显的限制，常规船型和特殊船型均有涉及，但整体上对于小型无人艇，大都采用高性能艇型，拥有较高水平的航海性能，目前运用最为广泛的艇型包括滑行艇、小水线面船，三体船等：滑行艇的特点是在高速情况下依靠水动升力滑行，在静水中拥有优异的快速性，但滑行艇对于重心位置敏感，容易产生海豚运动，在波浪中也存在较为严重的砰击问题[3]；小水线面船的设计思路是将大部分排水体积移至水线面深处，减小设计水线面积以减小引起船体运动的波浪扰动力矩，因而小水线面船可以在恶劣海况下航行，但存在低速阻力大，对载重量的限制要求高等问题[4]；三体船充分利用片体之间的兴波干扰特性，最大程度的减小总阻力，且稳性好，但船体尺度大，多用于大型船舶，比如美军正在研发的持续反潜无人艇。这些艇型在不同的工作环境下各有优缺点，但无法同时具备高速、低功率、消波、适航性好、高稳定性和经济效益好的优点。

2.2 动力特点

由于柴油机的可靠性好，油料热效率高，因而应用比较广泛。考虑到无人艇执行巡逻、反潜跟踪等任务对续航力的要求，美海军还在研究通过转化太阳能、海浪能量等方式为无人艇提供持续不断的能源供给。推进器方式多采用舷外机（螺旋桨）和喷水推进等。其中，螺旋桨结构简单、重量轻、效率高，在水线以下而受到保护；喷水推进具有优异的操纵性和机动性、高航速下的推进效率高等特点，广泛应用于小型高速无人艇。

2.3 材料特点

无人艇多采用玻璃钢复合材料，可降低艇体受损程度和减少维修费用。为加固艇体结构和减轻艇重，可以大量使用碳纤维及轻质复合材料取代传统的钢材料，艇的边梁和框架也使用碳纤维材料。

2.4 控制特点

无人艇操控方式分为无人遥控、按既定方案运行、自主运行等方式，在完全自主运行方式下，如果途中遇到障碍物，可通过目标搜索识别系统和处理系统进行避让航行，对无人艇的智能化程度要求较高，实现也较为复杂。

2.5 应用特点

无人艇大多采用模块化设计，根据任务的不同，可搭载多种不同功能的模块，主要用于执行危险以及不适于有人船只执行的任务。一旦配备先进的控制系统、传感器系统、通信系统和武器系统，可以执行多种战争和非战争军事任务，比如，侦查、搜索、探测和排雷；搜救、导航和水文地理勘察；反潜作战、反特种作战、以及巡逻、打击海盗、反恐攻击等[5]。

3 技术难点

3.1 总体设计技术

高性能复合船型开发与优化技术、水动力预报及测试技术、总体结构形式选型与优化技术、基于模块化思想的无人艇载体设计和集成技术；在复杂海洋环境下无人艇高速航行的稳定性理论与方法和无人艇的抗倾覆性、浮态自恢复能力研究。

3.2 环境感知技术

环境感知是基于多传感器综合探知外部环境信息的一个过程，是无人艇自主航行的关键技术之一。无人艇在执行任务的水域航行时受到风浪流的影响较大，需要解决在恶劣海况下，艇体在持续颠簸条件下的水面目标探测和识别技术，这就需要开展在海面环境下障碍识别新理论和新方法研究，比如图像预处理、滤波、边缘增强、障碍物检测以及动态背景和低信噪比条件下的目标检测方法研究，对多种传感器获取信息进行融合处理，完成目标的跟踪、检测、识别与轨迹预测。

3.3 自主决策与控制技术

主要内容为复杂海洋环境下无人艇自主决策理论与方法，运动的非线性控制理论与方法。自主决策和自动控制技术的高低体现了无人艇的智能化程度的高低。基于多传感器信息融合的自主决策是无人艇实现智能化运动控制的关键技术。为了提高无人艇的自主能力，航迹规划是必不可少的关键技术之一，基于电子海图和给定航路约束点情况下，无人艇需要自主规划出一条符合一定原则和约束条件的最优路径，采用在线规划时还需满足实时性要求，同时还要解决在动态目标威胁下的局部避碰规划问题。

3.4 武器发射控制技术

无人艇在执行各类军事任务需要搭载不同的任务模块，要求无人艇能够携载和投送武器[6]。在实际运行中由于复杂海况导致无人艇无法可靠的跟踪、瞄准目标并实施攻击。目前的无人艇大多用遥控式武器站，在工作人员的参与下才能正确的打击目标。

3.5 布放回收技术

能否安全、自动、便捷的回收是影响无人艇高效任务的关键。由于艇体自身重量大，海上风浪流情况复杂，在无人艇的布放与回收过程中，很容易造成无人艇和母船的损坏。USV一般通过大型水面舰船平台进行布放和回收，主要采用吊放和斜槽两种方式，在低海况、低航速下，这两种方式具有可行性，但仍然存在效率低、安全性差、人员素质要求高等缺点。在布放回收技术领域，美国的水平最高，发展最快。为解决技术难题，美国海军开发了助力拖拽吊舱、自动导引钩锚系统用于辅助人力进行无人艇回收，大大提高了效率和安全系数。美国物理科学公司开发的新型布放回收系统，可使“斯巴达侦察兵”无人艇在母舰速度15~20节航行时实现布放回收。另外美国密歇根州航空公司开发出一套近海战斗舰充气式布放回收系统用于解决高航速、高海况下无人艇布放回收难的问题。

4 结语

本文对无人艇的国内外发展现状进行了简要阐述，总结了无人艇的特点，分析了无人艇开发过程中的技术难点。随着人工智能、大数据的发展，无人艇正朝着模块化、智能化、体系化、标准化等方向发展，其执行任务也呈多样化趋势。不论是军事还是民事运用上，无人艇必将发挥更重要的作用。我国目前无人艇的研究距国外尚有一定的差距，有关部门应该制定相关规划，积极开展无人艇相关技术的研究，在军民融合深度发展的大背景下，推进无人艇的实用化进程，实现海洋强国之梦。

[1] 徐玉如, 苏玉民,庞永杰. 海洋空间智能无人运载器技术发展展望[J]. 中国舰船研究, 2006, 15(3): 2-4.

[2] 万接喜. 外军无人水面艇发展现状与趋势[J]. 国防科技,2014, 35(5): 91-96.

[3] 董祖舜. 快艇动力学[M]. 武汉: 华中理工大学出版社，1991.

[4] Faltinsen O M. 海上高速船水动力学[M]. 国防工业出版社, 2007.

[5] 李家良. 水面无人艇发展与应用[J]. 火力与指挥控制, 2012, 6(37): 203-207.

[6] 尚燕丽. 海军发展无人作战平台的需求、现状与展望[J]. 国防技术基础, 2009, 1(1): 40-44.

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

1003-4862（2018）09-0007-04

2018-4-28