現(xiàn)代水面無人艇技術(shù)

朱 煒， 張 磊

(1.海軍駐上海滬東中華造船(集團)有限公司軍事代表室， 上海 200129；2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

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現(xiàn)代水面無人艇技術(shù)

朱 煒1， 張 磊2

(1.海軍駐上海滬東中華造船(集團)有限公司軍事代表室， 上海 200129；2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

簡要闡述水面無人艇的特點，并著重分析國內(nèi)外無人艇的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，為進一步開展水面無人艇技術(shù)的研究指出若干方向，為技術(shù)人員開展相關(guān)研究工作提供參考。

水面無人艇；人工智能；自主性；可靠性

0 引言

水面無人艇(Unmanned Surface Vehicle，USV)發(fā)展至今雖已有70多年的歷史[1-5]，但相較于無人機、無人車系統(tǒng)，水面無人艇還是一個較為陌生的無人系統(tǒng)平臺。水面無人艇是指那些可由水面艦船或岸基布放回收，以半自主或全自主方式在水面航行的無人化、智能化作業(yè)平臺。作為一種新型的無人化平臺，與傳統(tǒng)水面艦船相比，水面無人艇具有一些典型的優(yōu)勢。

(1) 小型輕量，反應(yīng)快速。水面無人艇發(fā)展至今已經(jīng)衍生出很多類型，與傳統(tǒng)水面艦船相比，其主尺度和排水量均不大，總長在6～20 m的最為常見，排水量在數(shù)噸至數(shù)十噸之間，但其快速性特點要遠優(yōu)于同級別的傳統(tǒng)水面艦船。

(2) 機動靈活，適應(yīng)性強。無人艇具有較小的排水量、較淺的吃水設(shè)計，因而特別適合在港口、航道、近岸等淺水區(qū)域活動作業(yè)，且可以更好地適應(yīng)海況干擾所產(chǎn)生的影響。

(3) 艇型豐富。由于無人艇不需要考慮船員的適居性設(shè)計問題，無人艇的艇型設(shè)計可以更加自由靈活，例如可以采用單體滑行艇型、水翼艇型、多體船艇型以及半潛式等形式。

(4) 推進方式多樣。無人艇除了可以沿用傳統(tǒng)的艦船推進方式如螺旋槳推進配合方向舵、噴水推進、表面槳推進等以外，還可以采用全電力推進以及利用太陽能、風能和海洋能等環(huán)保能源的推進方式。

(5) 信息化、智能化。一方面無人艇可以憑借自身所具備的人工智能以不同程度的自主性完成指定使命任務(wù)；另一方面無人艇可以同時與空中、水上和水下的平臺系統(tǒng)進行通信，協(xié)作組成立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，這有助于信息戰(zhàn)的實現(xiàn)。

由于在第二次海灣戰(zhàn)爭時期無人艇的優(yōu)異表現(xiàn)增加了世界各國海軍對無人艇的興趣，目前，美、英、法、以色列、日本等國都在不斷研發(fā)先進的高速水面無人艇，以增強其海軍戰(zhàn)斗力。從發(fā)展現(xiàn)狀來看，無人艇的功能集成正在日益增多，船型正在由單體向多體等高性能船舶發(fā)展，使用范圍也在不斷拓展。作為一個龐大的家族，無人艇廣泛應(yīng)用于軍、民品領(lǐng)域。目前，無人艇發(fā)展典型代表：美國的“Autocat”和“Spartan”無人艇；以色列的“Protector”和“Stingray”無人艇；葡萄牙的“Delfim”無人艇；意大利的“Charlie”無人艇和英國的“Springer”無人艇等[6,7]。下文簡要介紹各國無人艇的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。

1 國外水面無人艇研究現(xiàn)狀

美、英、法、德、以色列等國已將無人艇作為重要軍事項目進行研究和開發(fā)，其中最具代表性的是美國的“Spartan”和以色列的“Protector”無人艇等[5]。

1.1 美國

美國有許多軍方單位、地方研究協(xié)會、大學(xué)等機構(gòu)長期致力于無人艇的研究，其主導(dǎo)著全球無人艇的發(fā)展方向。

(1) “Spartan”。該無人艇項目由美國主持，聯(lián)合法國、新加坡共同研制。“Spartan”試驗艇搭載于“葛底斯堡”號導(dǎo)彈巡洋艦，其參加了波斯灣作戰(zhàn)行動后，美國海軍部根據(jù)其試驗結(jié)果開始大規(guī)模的研制工作，并將其列入瀕海戰(zhàn)斗艦(Littoral Combat Ship，LCS)的全套武器裝備清單中。“Spartan”無人艇有兩種設(shè)計方案，均為硬殼充氣型高速滑行艇(見圖1)，它既能自主航行也可遙控操縱，艇長11 m，排水量2.3 t，最高航速可達50 kn，自持力可達12 h，可搭載1 350～2 300 kg的有效載荷。

圖1 “Spartan” 無人艇

(2) “SSC San Diego”。美國空間和海戰(zhàn)系統(tǒng)中心的機器人研究小組開發(fā)了一種通用無人艇試驗平臺——“SSC San Diego”無人艇(見圖2)。該小組一直致力于無人艇相關(guān)技術(shù)的研究，在該型無人艇上研發(fā)了許多無人艇領(lǐng)域的通用性技術(shù)，可以很方便地實現(xiàn)工程化應(yīng)用。

圖2 “SSC San Diego” 無人艇

(3) “Harbor Wing”。美國海軍還開發(fā)了大量的無人快艇，主要用于偵察任務(wù)。“Harbor Wing”是一艘長約18 m，重10 t，遠程無人駕駛，高適航性的雙體偵察船，已有X1和X2兩個型號(見圖3)。

圖3 “Harbor Wing” 無人艇

(4) 三體無人艇。通用動力機械系統(tǒng)公司為美國海軍研制的無人艇(見圖4)艇長10.6 m，寬3.25 m，最高航速可達35 kn以上。該艇設(shè)計為三體滑行艇形式，能在4級海況下發(fā)射和回收，且自帶傳感器系統(tǒng)(如拖曳式聲吶系統(tǒng)和多基地場外低頻聲吶系統(tǒng))，具有先進的無人導(dǎo)航和360°“情境意識”自主控制能力以及連續(xù)24 h執(zhí)行任務(wù)的能力。

圖4 “11MUC0601” 三體無人艇

1.2 以色列

以色列具有非常強大的軍事科技研發(fā)能力，目前主要有拉斐爾、航空防務(wù)、埃爾比特等公司進行水面無人艇及其相關(guān)技術(shù)的研究。

(1) “Protector” 。2003年，以色列拉斐爾公司與航空防務(wù)系統(tǒng)公司共同開發(fā)了著名的“Protector”號無人艇。該艇于2005年開始裝備部隊，用于執(zhí)行保衛(wèi)領(lǐng)水和近岸水域任務(wù)，在試驗和使用過程中顯示出了較高的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能，是以色列無人艇研究的典型代表，如圖5所示。該艇艇長9 m，排水量4 t，最高航速40 kn，最大載荷1 t，續(xù)航力約8 h，艇上裝備1挺7.62 mm或12.7 mm機槍(可增加1具40 mm榴彈發(fā)射器)，同時備有電動機械瞄準傳動裝置的火控系統(tǒng)，有遙控和自主兩種控制模式。

圖5 “Protector” 號無人艇

(2) “Silver Marlin”。以色列埃爾比特系統(tǒng)公司研制的“Silver Marlin”號無人艇被稱為第二代無人艇，于2007年初開始海試。該艇在Café賽艇35的基礎(chǔ)上設(shè)計建造而成(見圖6)，艇長10.67 m，滿載排水量4 t，最高航速不小于45 kn，續(xù)航力500海里，續(xù)航時間24 h。

圖6 “Silver Marlin” 號無人艇

(3) “Stingray” 。“Stingray”號是以色列埃爾比特系統(tǒng)公司研制的另一款小型無人艇，如圖7所示。該艇是在民用噴水推進艇型基礎(chǔ)上開發(fā)的，最高航速不小于40 kn，續(xù)航時間不小于8 h，有效載荷不小于150 kg，不但體型小、隱身性強，還具備海上目標檢測與識別功能，可兼容情報偵察與監(jiān)視、電子戰(zhàn)和電子偵察等任務(wù)。

圖7 “Stingray” 號無人艇

(4) “Starfish”。“Starfish”號無人艇由以色列航空防務(wù)系統(tǒng)公司研制(見圖8)。該艇艇長11 m，有效載荷2.5 t，巡航速度45 kn，作戰(zhàn)半徑300海里，自持力10 h，其動力系統(tǒng)配備雙柴油機，噴水推進，還可搭載光電偵察系統(tǒng)、目標搜索系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及小口徑艦炮(具有岸基、海基、空基3種平臺控制模式)。

圖8 “Starfish” 號無人艇

1.3 其他國家

法國在無人艇領(lǐng)域的典型代表主要有ACSA公司的“Basil” 號(見圖9)、Sirehna公司的“Rodeur”號無人高速滑行艇(見圖10)，其中“Rodeur” 水面無人艇可執(zhí)行多種任務(wù)，包括反水雷、反潛、偵察監(jiān)視、海上安防、海洋環(huán)境探測及調(diào)查等。

圖9 “Basil” 號無人艇

日本對無人艇的相關(guān)研究工作也開展得相對較早。日本Yamaha公司研發(fā)的無人高速軍用艇(Unmanned Marine Vehicle High-speed, UMV-H)采用深V形設(shè)計，長4.44 m，最大航速40 kn，兼具遙控和自主兩種模式，如圖11所示。此外，Yamaha公司針對海洋水文氣象環(huán)境監(jiān)測及生物化學(xué)科考任務(wù)研發(fā)了無人海洋探測艇(Unmanned Marine Vehicle Ocean type， UMV-O)，該型首艇“Kan-Chan”已于2003年交付給日本科技廳投入使用，如圖12所示。

圖10 “Rodeur”號無人艇

圖11 “UMV-H” 號無人艇

圖12 “UMV-O” 號無人艇

“Charlie”號雙體無人艇(見圖13)由意大利機器人技術(shù)集團研發(fā)，該艇艇長2.4 m，寬1.7 m，并配備GPS及KVH型陀螺儀，其電力推進系統(tǒng)設(shè)計為鉛酸電池、太陽能電池板聯(lián)合供電，螺旋槳推進。

圖13 意大利“Charlie” 號無人艇

此外，英、德、葡萄牙等國也研發(fā)了各自的水面無人艇，如 “Springer”“Swordfish”和“See-Wiesel”等，如圖14～圖16所示。

圖14 英國“Springer” 號無人艇

圖15 “Swordfish” 號無人艇

圖16 “See-Wiesel” 號無人艇

2 國內(nèi)水面無人艇研究現(xiàn)狀[2]

國內(nèi)無人艇的研究起步較晚，且市場上并未有集駕駛、遙控、自主航行功能于一體的水面艇系統(tǒng)，這就要求研究人員必須針對無人艇的任務(wù)需求、艇體特征及總體布局要求，結(jié)合系統(tǒng)功能、經(jīng)濟成本等因素的約束條件限制，設(shè)計并構(gòu)建無人艇系統(tǒng)。國內(nèi)主要從事水面無人艇的研究機構(gòu)有沈陽自動化研究所、哈爾濱工程大學(xué)、上海大學(xué)、上海海事大學(xué)、中國航天科工集團沈陽新光公司、珠海云州公司等。

(1) “Silver Frog”號無人艇。上海海事大學(xué)研制的“Silver Frog”號無人艇為雙體型鋁合金多任務(wù)通用平臺(見圖17)。該艇艇長2.7 m，寬1.48 m，型深0.36 m，艇重60 kg(此時航速可達6 kn)，有效載荷100 kg，由60 Ah的鋰電池組供電給直流電機驅(qū)動雙螺旋槳推進。該艇的控制系統(tǒng)由載體平臺控制系統(tǒng)和岸基監(jiān)控系統(tǒng)兩部分組成，岸基監(jiān)控系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)(有效通信距離可達1海里)下達人機交互指令給載體平臺控制系統(tǒng)，進而操控無人艇。

圖17 “Silver Frog” 號無人艇

(2) “Triple-hulled” 三體無人艇。沈陽自動化研究所開發(fā)的三體無人艇“Triple-hulled”(見圖18)采用了類似“Silver Frog”的設(shè)計：直流驅(qū)動電機推進方式，無人艇平臺分為地面控制系統(tǒng)、無線傳輸設(shè)備和艇載控制系統(tǒng)3個部分。該艇配備了線加速度/角速度傳感器、陀螺儀、羅經(jīng)和GPS等，最高航速可達6 kn。

圖18 “Triple-hulled” 號無人艇

(3) “天象1號”無人艇。2008年，中國航天科工集團沈陽新光公司研制出了“天象1號”無人艇(見圖19)。該艇總長6.5 m，船體采用碳纖維，配有GPS、雷達、圖像傳輸和處理系統(tǒng)等多種傳感器設(shè)備，具備自主和遙控兩種模式，該系統(tǒng)作為應(yīng)急裝備成功為2008年的青島奧帆賽提供了氣象保障服務(wù)。

圖19 “天象1號” 無人艇

(4) “XL”號無人艇。哈爾濱工程大學(xué)水下機器人技術(shù)重點實驗室是國內(nèi)較早從事無人潛水器和無人艇等無人系統(tǒng)研究的單位之一，長期從事無人潛水器和水面無人艇相關(guān)技術(shù)的攻關(guān)研究，取得了多項國際先進國內(nèi)領(lǐng)先的技術(shù)成果，突破了多項關(guān)鍵技術(shù)，如系統(tǒng)仿真技術(shù)、自主駕控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、避碰規(guī)劃技術(shù)、運動控制技術(shù)及路徑跟蹤技術(shù)等。“XL”號無人艇采用單體高速滑行艇艇型設(shè)計，搭載雷達、光視覺、紅外視覺等傳感器，具備自主感知和自主航行能力，可實現(xiàn)復(fù)雜障礙環(huán)境下、甚至動態(tài)目標的自主避碰航行。“XL”號無人艇如圖20所示。

圖20 “XL” 號無人艇

3 結(jié)束語

總體說來，水面無人艇方面的發(fā)展相對其他無人系統(tǒng)平臺較為滯后，但自主程度在不斷提高，不同于遙控型、半自主型，全自主型無人艇的實現(xiàn)還處于研究探索階段，這主要歸結(jié)于一些與平臺智能及任務(wù)載荷相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)尚需進一步提高，如智能優(yōu)化技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)、布放回收技術(shù)、基于無人艇平臺的發(fā)射控制技術(shù)等。未來一旦突破這些關(guān)鍵技術(shù)，將會拓展無人艇的任務(wù)領(lǐng)域由傳統(tǒng)的情報、監(jiān)視、偵查向反潛、反艦等打擊任務(wù)領(lǐng)域發(fā)展，使得其成為水面艦艇作戰(zhàn)力量的重要組成部分，改變傳統(tǒng)的水面戰(zhàn)裝備體系構(gòu)成，使水面戰(zhàn)的作戰(zhàn)樣式發(fā)生革命性變化。

[1] 尚燕麗. 海軍發(fā)展無人作戰(zhàn)平臺的需求、現(xiàn)狀與展望[J]. 國防技術(shù)基礎(chǔ), 2009，1：40-43.

[2] 廖煜雷. 無人艇的非線性運動控制方法研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué), 2012.

[3] YAN R J, PANG S, SUN H B，et al. development and missions of unmanned surface vehicle[J]. Journal of Marine Science and Application, 2010,9(4):451-457.

[4] MANLEY J E. Unmanned surface vehicles, 15 years of development[C]//Oceans, Quebec City, Canada, 2008: 1-4.

[5] 宋磊. 全球自主：國外無人水面艇未來發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 軍事文摘, 2015，13：26-28.

Development of Unmanned Surface Vehicle

ZHU Wei1， ZHANG Lei2

(1.Navy Representatives Office of Hudong Zhonghua Shipbuilding Co.， Ltd.， Shanghai 200129, China；2.School of Ship Building， Harbin Engineering University, Harbin 150001, Heilongjiang, China)

With the constantly deepening of human exploration of the ocean and the successful application in the military, more and more extensive attention has been paid to unmanned surface vessels. The characteristics of the unmanned surface vessels are described, and the current situation and development trend of domestic and international unmanned surface vessels are analyzed. Several directions for further research are provided,which is of reference value for the researchers.

unmanned surface vehicle; artificial intelligence； autonomy； reliability

朱 煒(1979-)，男，工程師，研究方向為船舶電氣

1000-3878(2017)02-0001-06

U674

A