无人帆船研究进展

马靖丰

摘 要：本文首先对无人帆船的研究背景、应用领域、各组成部分及其功能进行概述。从三个不同发展阶段对国外无人帆船发展情况进行总结：将Colin sause与Mark Neal的早期研究，奥地利INNOC团队的ASV Roboat研究和当代挪威和芬兰等无人帆船的关键技术进行展开，列出其他国际领先团队的无人帆船理论及实践的发展。最后对无人帆船现状做出总结并提出未来无人帆船发展方向。

关键词：无人帆船;Microtransat;WRSC;ASV Roboat;空气动力;路径规划与避障

中图分类号：U679 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）12-0085-02

0 引言

无人帆船作为不需要人类干预，利用风能完全自主航行的智能帆船可以完成：海洋表面数据采集、资源开发、灾难预警、环境保护、节约运输成本、监视违法行为、进入危险区域、减少人工驾驶、指导比赛训练等任务，在上述领域的独特的优势使其成为国内外研究的热点[1]。循迹航行、长短途路径规划、避障是安全有效完成任务的核心内容和最终目的;对帆船空气动力学与水动力学模型进行分析，同时考虑附加阻力与波浪的影响求解出速度预测程序，使帆船沿各个航向所能达到的速度最大化，是完成无人帆船核心内容的基础。精密高效的的传感器系统能及时提供风速风向、船舶姿态、帆角位置等多变的信息，是完成帆船最佳操纵和路径规划的前提条件;高精度能够实时显示的卫星定位系统和可靠的通讯系统是判断路径规划情况和掌握无人帆船实时动态的保障。一艘搭载有效执行机构、获能储能和软硬件设备，兼顾速度和稳定性的无人帆船是进行一切科学研究的载体。自20世纪70年代起，各国对无人帆船开展研究，如今国际领先的无人帆船已经能够执行海洋数据采集等任务并投入商业化生产。

1 国内外研究进展

早在无人帆船的想法出现之前就出现了利用风向标运动驱动舵转动的机械式自动舵。经过很长时间的发展，电控式自动舵系统出现并随着PID控制的出现更加成熟，被应用于帆船执行机构的控制。风向传感器、陀螺仪和GPS定位系统的配备，为无人帆船执行装置提供了有效指令，使其能够不依靠人类干预完全自主航行[2]。

1968年，美国无线电公司就进行了对带有风帆的无人海上平台SKAMP（Station Keeping Autonomous Mobile Platform）的研究，相关研究成果一直没有公开，尚未知能否完全依靠风帆自主航行。1997年斯坦福大学Gabriel Elkaim 公开发表了一个带GPS导航的双体翼帆无人帆船Atlantis的研究成果[3]，随后美国Haibor Wing Technologies公司研制了一艘双体翼无人帆船，双体船虽然航行更加平稳但在横倾状态没有回复力矩，因此在复杂海况影响下倾覆无法回正是其最大缺点。21世纪初英国Aberystwyth University的Mark Neal与法国ISAE（Institut Supérieur de l'Aéronautique et de l'Espace）的Yves Briere组织并发起了跨大西洋Microtansat无人帆船比赛，无人帆船研究开始得到广泛关注。

1.1 Colin sause与Mark Neal早期研究

在2010年第一次跨大西洋Microtransat竞赛中英国Aberystwyth University带来一艘唯一成功参赛的无人帆船Pinta，在比賽中花费49小时完成完全无人航行87公里。为了完善其风帆和船体的结构设计，测试船载设备基本性能，完成预先设定的航线，2004年至2008年Colin sause与Mark Neal前后参与并制造了五艘0.5m至3.5m的无人帆船，测试并提高了不同风况下与转向动作时船体的稳定性和执行机构的可靠性[4];改进了传感器系统，处理器控制系统，航行算法系统，通信系统，远程操纵系统，功率预算与电源智能管理系统等影响船体操纵的各系统的基本性能，是早期无人帆船公开探究过程的代表。

1.2 奥地利INNOC科研团队ASV Roboat号

奥地利科研团队INNOC（Austrian Society for Innovative Computer Sciences）自2006年制造的ASV Roboat较具有权威性和代表性，曾在Microtransat2007和2008，2009，2010的WRSC竞赛中蝉联冠军。在2012年的波罗地海试中，ASV Roboat由德国出发途径丹麦向南花费27小时完成131.5公里（71海里）的无人航行[5]，并用水听器记录了鲸鱼的声音信号，是无人帆船成功用于科研项目的早期尝试。该船主要包含执行装置、传感器、通讯设备、计算机处理系统、能量供应等模块，和平衡舵、模糊控制、三级通讯系统、多层控制系统、路径规划与避障等关键技术。

ASV Roboat无人帆船以用于青少年教学的Laerling船型为基础改装，60公斤的龙骨保证船体横倾角度不会超过安全值。船长3.75m，船体总重300kg，在不影响航行的情况下可额外负载50kg。前帆和主帆面积4.5平方米。配备的太阳能电池板，在完全日照条件下提供285W功率，在欧洲当地气候条件下计算一年中平均输出功率达到30W。帆舵操控方式得到了极大优化，最初用线性驱动器电动推杆实现舵控制，直至2009年为了降低功耗使用电机驱动，将舵叶的旋转轴靠近舵的中间位置专门研发了平衡舵系统[6]。前帆帆索和弧形滑轨的自换向设计与主帆的帆索受力点外延的设计保证了双帆配合和能量损耗最小。此外还配有航行灯、雾笛和排水泵等辅助执行装置。

1.3 最近研究与进展

无人帆船竞赛Microtransat、WRSC（World Robotic Sailing Championship）和SailBot的广泛开展使这项技术更加成熟。在最近的2018年WRSC竞赛中，芬兰的land University of Applied Sciences研发的船长2.4m重300kg的无人帆船配备了尾翼操纵的翼帆[8]，通过使理论计算和数值仿真得到的翼帆空气动力学中心与加工制造的翼帆质量中心重合，翼帆尾端装有用来控制攻角的尾翼执行装置，减少了正常转帆执行装置2/3的能量消耗。这种设计最早被用在Sailrone公司制造的无人帆船上，很大程度上解决了能量负平衡的问题并提高了续航能力。

2018年Microtransat競赛中挪威的SailBuoy团队的SB Met见图1，经过79天12小时完成了5354km的航程，是所有参赛队伍中正确航行距离最远并首次完成横跨大西洋的无人帆船，船长2m，重60kg，仅采用了舵执行装置。配备40W峰值功率的太阳能板和400Wh的锂电池，GPS和各种海洋数据采集传感器。采用铱星双向传输数据完成通讯。该船适应能力很强，不仅能在2-20m/s的风速下航行，低电量时各传感器保持在低功率状态直到到达指定区域并完成充电是该船最显著的特征，低能量消耗确保船体能够在太阳能受限的高纬度挪威附近海域航行数个月，航线信息见图2。自从2009年以来已经多次完成导航、温度、盐度、氧浓度、水质、波浪、冰面边缘、声音信号等海洋表面数据采集任务。

除此之外，美国海军学院USNA的Aboat Time号和Trawler Bait号无人帆船在船尾布置大尺寸机械式风速风向传感器减少了船体横摇对相对风向的测量带来的影响;法国高等科技学院ENSTA Bretagne 团队的BRAVE号拥有良好的操纵性和控制策略，以优异成绩完成2018年WRSC比赛Open级别的项目。来自中国首次参赛的浙江大学的ZMART和上海交通大学的SJTU也取得了不错的成绩。

2 研究现状总结与未来发展趋势

从当前无人帆船发展来看，随着碳纤维材料的引入船体将更加坚固轻便。翼帆的选用更容易模拟计算、节能控制和抵抗复杂的海上环境。执行装置的设计不仅要求稳定可靠，更要大幅减少能源消耗。传感器测量的数据能够有效避开横摇和磁场等干扰，更准确及时地传送给主控装置。多层通讯系统保证人、机和卫星实时稳定传输数据。在能源采集与分配管理系统，循迹、路径规划与避障的算法中将引入人工智能，通过学习海洋气候数据库对航线进行规划，对执行装置和传感器的使用频率进行优化，能够在高纬度、弱光照、恶劣风浪流和天气情况下合理采集并分配能源顺利完成任务。当突发情况导致无人帆船失去控制时能够立刻与岸上基站保持联系、传输位置并保证重要信息不泄漏。最后无人帆船的发展一定会伴随海洋航行安全、生态环境保护和保障各国合法权益的法律，因此相关研究的路还很长。

参考文献

[1] Rynne， Patrick & von Ellenrieder， Karl. （2009）. Unmanned Autonomous Sailing： Current Status and Future Role in Sustained Ocean Observations. Marine Technology Society Journal.43.21-30.10.4031/MTSJ.43.1.11.

[2] Stelzer R ， Jafarmadar K . History and Recent Developments in Robotic Sailing[M]// Robotic Sailing.2011.

[3] Elkaim G H. The Atlantis Project： A GPS-Guided Wing-Sailed Autonomous Catamaran[J]. Navigation，2006，53（4）：237-247.

[4] Sauzé C， Neal M. Design considerations for sailing robots performing long term autonomous oceanography[C]//Proceedings of The International Robotic Sailing Conference， 23rd-24th May.2008：21-29.

[5] Stelzer R， Jafarmadar K. The robotic sailing boat asv roboat as a maritime research platform[C]//Proceedings of 22nd international HISWA symposium.2012.

[6] Klinck H， Stelzer R， Jafarmadar K， et al. AAS Endurance： An autonomous acoustic sailboat formarine mammal research[C].2009.

[7] Stelzer R， Dalmau D E. A study on potential energy savings by the use of a balanced rig on a robotic sailing boat[M]//Robotic Sailing 2012. Springer， Berlin， Heidelberg， 2013：87-93.

[8] land University of Applied Sciences.Official Website[EB/OL].https：//sailingrobots.ax.