无人水面艇的平台设计技术研究

陈安文 侯国祥 赵金 耿涛

摘    要：随着船型设计、信息处理、人工智能、运动控制等专业技术的飞速发展，无人水面艇在军用和民用领域均展现出巨大的应用前景。本文主要针对无人水面艇的使用环境和任务特点，阐述无人水面艇平台设计的关键技术，及其相对于有人艇的特殊性，为无人水面艇技术的发展提供参考。

关键词：无人水面平台;关键技术;特殊性

中图分类号：U674                                   文献标识码：A

Abstract： With the rapid development of ship type design， information processing， artificial intelligence， motion control and other professional technologies， the unmanned surface boat has a great application prospect in the military and civilian fields. By focusing on the use environment and task characteristics of the unmanned surface boat， this paper expounds the key technology of the platform design of the unmanned surface boat， and its particularity relative to manned boats.

Key words： Unmanned surface boat; Key technology; Specialty

1     引言

無人水面艇（简称USV）即无人操作的水面智能机器人，是将传统船舶建造技术与无人控制技术相结合的新产物。USV平台主要包括传统意义上的船体部分和上层建筑部分，其技术主要涉及船体、动力、总布局、外观造型等方面。与常规船艇相比，USV因其作业环境和任务特点的不同，在进行平台总体设计时有一些特殊问题需要考虑。

首先，由于没有专业随船驾驶员，USV在独自执行任务时应对恶劣海况的能力显得较为薄弱，船体的设计应充分考虑适航性以及结构可靠性;其次，军事用途的无人水面艇，在执行作战任务时，需要针对侦查结果进行快速作战部署，迅速集结、进攻或者撤离，要求USV具有良好的操纵性和灵活度;再次，从数据传输的精度考虑，其上搭载的无人控制模块对平台的稳定性要求较高，USV应具有良好的耐波性和稳定性。总的来说，高适航性、高机动性、高平稳性是USV平台的必要特征，性能优良的USV必然以先进的平台设计技术为基础。

2    USV船体设计特点

2.1  面向USV的船型设计

技术先进的USV平台，必然有优秀的船型设计。船体不仅是智能模块的搭载平台，更是指令的主要执行器。良好的船型设计，可以使USV在执行任务时更安全、可靠、高效。从国内外统计数据来看，90%以上的USV船体长度在15 m以下，排水量一般不超过5t[1]。由于其尺度小、重量轻，因此对风、浪、流等外界环境的响应比常规船舶敏感，其船体设计要求显得更苛刻。

（1）对航速要求不高的USV，多采用排水型船体或半潜式设计。例如：水质监测型USV，对速度无硬性要求，但需要满足持续性工作的续航能力;排水型USV的特点是吃水较深，大部分艇体淹没在水下，因此平台的稳定性高、低速航行时的兴波阻力小，可以将更多的的船舶动力用于其他用途，例如拖曳或为搭载设备供电;排水型USV速度一般≤10 kn，由于速度较低，可以配备高效率推进器（低转速、大直径），这使得其续航力优于高速船;在拖曳能力方面，7 m级的排水型USV可具有与11 m级滑行艇相当的拖曳能力;排水型USV具有大的水线面积，应对变载荷的能力较强，在实际应用中还可以根据需求加装、更换不同的任务模块，如图1所示。

（2）对航速要求较高的USV，一般采用滑行艇船体，艇体剖面为V型、深V型或M型。用于军事用途的侦查、打击型USV主要采用滑行艇船型。这类艇体技术相对成熟，应用最为广泛。其特点是高速航行时具有良好的破波能力、综合性能好，采用改变船底斜升角的方式可使V型船体具有更好的耐波性和稳定性。由于阻力性能优越，因而航速高，最高航速可达30～40 kn;另外，在运输效率（有效载荷、航程）方面也很有优势;滑行艇也具有一定的拖曳能力，但是船体对载荷分布（纵向重心位置LCG）、拖曳点和纵倾角度较敏感，因此其拖曳效率低于排水船型;在低速航行时，滑行艇的稳性较差，尤其在静止时具有大的横摇;在高速航行时，波浪对船底的抨击猛烈，具有较大的波浪扰动，如果所搭载功能模块对稳定性要求较高，则一般采用深V型船体或加装附体以提高稳定性，如图2所示。

（3）为了满足USV作业多样化的需求，目前在研的新船型有：多体船、小水线面船体、穿浪船体等。其中：多体船型通常是USV的首选，因为具有更高的平台稳定性，可以降低在恶劣海况中倾覆的风险，载荷能力和抗沉性也比较好[2]如图3所示;小水线面船型和穿浪船型的技术要求高、建造难度大，并且控制方面的难度增加、精度和可靠性降低，仅适用于特殊需求，在USV领域的通用性较差[3]。

2.2   USV的材料选用与结构设计

出于特种用途考虑，船体材料一般采用玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维等复合材料作为主要结构材料。相对于铝合金材料，复合材料的可设计性更好，可以满足USV定制化设计的需求;复合材料有较高的自振频率，可减低噪声和振动;复合材料的抗腐蚀、抗海生物附着能力强;复合材料的比强度是铝合金的3倍以上，满足结构性能前提下重量更轻;复合材料具有较低的机械振动和电磁特征，使USV具有良好隐身性。

在结构设计中，复合材料夹芯结构是USV船体结构的主要形式，尤其是在一些尺度较大的USV上被广泛采用。夹芯式结构形式，其中间采用PP板、PVC板等作为结构芯材，内外表面包覆玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等复合材料。夹芯式结构的特点是重量轻、强度高[4]，不仅可以增加USV的有效载荷，而且抗碰撞、耐摩擦能力强、减振吸能，具有良好的结构安全性。

3    USV动力驱动设计特点

在军用领域，航速高、操纵性好是USV能够用于灵活作战的基础，是其海上作战能力的关键。因此，应从船型设计、船机桨匹配两方面考虑：采用具有最佳排水量的船型主尺度参数，在确保载重需求的前提下力争减小船重;提高船体快速性，减小行进阻力;在保证其输出功率的同时，提高动力系统效率、降低能耗、提高USV有效载荷。

为了能够安全、高效地执行任务，并能在极限状态下顺利返航，USV必须具备可靠地续航能力。在燃油配置量已定的前提下，推进效率是决定续航力大小的关键。

从动力推进方式来看，小于5 m的USV主要采用电机作为动力，大于5 m的USV一般采用柴油机作为动力来源。出于操纵性的考虑，目前在研的USV 40%以上采用的是喷水推进方式，尤其对于吃水浅、杂草泥沙多、水流紊乱的水域环境，螺旋桨推进方式并不合理，同时在水面漂浮物密布的浅水区，螺旋桨容易出现拖挂现象，采用隧道螺旋桨推进或者喷水推进装置是较好的解决方式[5]。与常规螺旋桨推进不同的是，喷水推进器内置的螺旋桨可以大大降低水域乱流带来的不利影响，保证良好的推进效率;吸水口设有格栅，可以将水草以及其他漂浮物阻挡在船体之外，避免螺旋桨缠绕，并且喷水推进器具有更好的操纵性[6]。

4    USV总布置设计特点

总布置设计是USV功能设计的基础。USV不同于常规船艇，其平台和无人系统所包含的電气、机械、电子、武器、辅助系统不仅数量多、品种杂、新研制模块多，而且需要将这些系统模块安装在紧凑的空间内;指令的传达、执行和数据的采集、转换，不仅与无人控制模块本身有关，也极大地取决于安装布置方式，因此USV除了要考虑通用总布置需求外，还要考虑任务功能和无人装备对整船安全性的影响。

应从整体层面出发，结合船体性能与无人模块的安装进行总体设计，力求协调统一，同时又不以降低船体的快速性、稳性等船体性能为代价。总布置设计，要重点解决以下3个问题：

（1）整体布局的科学性：舱室设计、上层建筑设计、重量配置应统筹规划，并能兼顾后期加装、更换任务模块的需求;

（2）增强隐身性：将具有大反射面或者易被探测结构放置在船体内部，并尽量减少上层建筑的高度;

（3）兼顾外观：总布置必然涉及到外观，为了整体布局的美观性，尽量减少附属结构，使整体结构协调统一，也可以减少阻力和船重。

5    USV外观设计特点

USV的外观设计不仅为了美观，对于军用USV，先进的隐身技术是提高其战斗力和生命力的重要保障。

无论是理论分析还是实验研究都表明，外观造型是实现USV隐身最直接、最有效的手段。对于雷达散射截面而言，物体的形状远比尺寸重要。多棱角外形和融合外形是减少雷达散射截面的两个重要途径：前者是将USV外形设计成多棱面体，使得整个船身只呈现出几个有限的窄散射峰值;融合外形技术主要包括平面和空间的三维融合，通过对船艇截面形状进行合理设计，使其侧向的镜面散射变为劈形边缘绕射，从而大大降低船艇的侧向雷达散射截面[7]。因此，船体甲板等突出物，多采用倾斜式、圆弧式设计，上层建筑采用内倾式设计，整体外形采用多棱角设计，以减少雷达散射截面积。

实船验证表明，USV的各面与其甲板面垂直时，雷达散射面积最大，若各面倾斜10  °时则雷达散射面积将减小80%左右。如同样一个驾驶室，在不改变驾驶室的情况下，一个是做成平板形体，驾驶室两侧与甲板相垂直;一个则做球形体，那么二者的雷达散射面积相差可达上千倍。因此，合理设计无人水面艇的外形，使艇体的雷达散射面积减小，可以收到立杆见影的隐身效果。

6    结语

USV平台设计技术是以传统船舶设计为依托，但又有自己鲜明的特点。只有深入了解USV的使用需求和特点，有针对性地进行平台设计，才能设计出性能优良的USV。在未来国家海洋战略中，成本低廉、智能高效的USV将扮演着越来越重要的角色。开展USV平台技术研究，是实现“USV+”战略的技术基础，对完善我国海上智能装备体系具有重要意义。

参考文献

[1]智能巅峰. 无人艇：国内外主要船型发展特点分析[M].2019.

[2] Campbell， S. ， Naeem， W. ， & Irwin， G. W. A review on improving the auton-omy of unmanned surface vehicles through intelligent collision avoidance ma-noeuvres. [J]Annual Reviews in Control，2012，36 （2）， 267–283 .

[3]宋磊.国外海军无人水面艇发展及管件技术[J].军事史林，2014（9）.

[4]石勇，刘宇等.夹层复合材料在潜艇声隐身结构中的应用及其相关技术研究[J].材料开发与应用，2008（6）.

[5]黄贤源，陆秀平等.无人水面测量艇技术研究（一）：船型及推进方式设计[J]-海洋测绘，2016（2）.

[6]李晓辉，朱玉泉等.喷水推进器的发展研究综述[J].液压与气动，2007（7）.

[7]郑向阳.某三体舰船总体初步设计及隐身性研究[D].哈尔滨工程大学， 2010.