無人水面艇收放技術(shù)發(fā)展趨勢探討

張曉東，劉世亮，劉宇，胡曉芳，高超

1 海軍工程大學(xué) 艦船與海洋學(xué)院，湖北 武漢 430033

2 中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和對無人系統(tǒng)認識的不斷深入，無人水面艇（USV）在導(dǎo)航、巡邏、探測、搜救、反潛戰(zhàn)、反艦戰(zhàn)、電子戰(zhàn)、海上攔截、水雷對抗等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力日漸凸顯［1-2］。各國不斷加大對USV的研發(fā)力度，使其進入了一個快速的發(fā)展階段［3］。然而，與USV相匹配的布放回收（以下稱“收放”）技術(shù)卻處于相對滯后的狀態(tài)。在實際應(yīng)用中，USV收放過程的自動化程度越高，進入工作狀態(tài)越快，其任務(wù)執(zhí)行的成功率就越能得到保證，而母船攜帶更多USV參與任務(wù)就更有意義。從此發(fā)展趨勢看，應(yīng)加強對USV收放技術(shù)發(fā)展方向的分析研究，以便能準(zhǔn)確把握未來USV收放技術(shù)發(fā)展的核心方向，為開展具體研究奠定基礎(chǔ)。

目前，小艇收放裝置操作需要有人負責(zé)駕駛小艇及解掛鉤等輔助操作，難以適應(yīng)艦船處于高航速、高海況時的需求，這不僅將耗費大量的時間，而且還增加了人員操作時的危險性。因采用的是無人隨艇航行方式，故現(xiàn)有成熟的載人小艇收放裝置不能直接應(yīng)用于USV收放過程［4-5］。在USV收放技術(shù)方面，國內(nèi)外尚未形成統(tǒng)一的認識，現(xiàn)有收放裝置雖然各具特色，但未出現(xiàn)性能特別突出的類型。因此，本文將結(jié)合國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，充分調(diào)研現(xiàn)有載人小艇收放技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，提出安全可靠、迅速高效、能夠適應(yīng)更高航速和海況且自主化程度更高的USV收放技術(shù)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

USV收放技術(shù)是將其快速、安全地部署到水面并高效、可靠地回收到母船的技術(shù)。國外早在上世紀(jì)就開始了USV收放技術(shù)的可靠性和安全性研究，現(xiàn)階段，各國對該技術(shù)更加重視。從國內(nèi)外USV收放技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀來看，主要研究方向包括吊放式收放技術(shù)、艉滑道式收放技術(shù)和塢艙式快速收放技術(shù)。表1和表2所示為當(dāng)前國內(nèi)外USV收放技術(shù)的研究現(xiàn)狀。美國在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，在適應(yīng)海況、航速等方面均比國內(nèi)領(lǐng)先［6］。

1.1 吊放式收放技術(shù)

吊放式收放技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種艦艇、民用船舶和其他特種船舶中，其技術(shù)已相對成熟。吊放式收放技術(shù)包括單吊點和雙吊點兩種。單吊點技術(shù)一般適用于長度不超過7.5 m的小艇，因其可靠性高、操作簡單，日益受到重視；雙吊點技術(shù)起吊小艇時穩(wěn)定性更好，但操作困難，危險性高，更適合長度超過7.5 m的小艇［7-8］。國外大型艦船上最常采用3種吊放式收放裝置，包括回轉(zhuǎn)式、A架式和伸縮式［9］，如表1所示。其中，德國Global Davit公司開發(fā)的吊艇架式工作艇收放系統(tǒng)［10］為典型的回轉(zhuǎn)式系統(tǒng)，該系統(tǒng)由絞車、離心制動器和防護等級為IP56的電動機等組成，適用于重量為15～36 kN的USV，如圖1（a）所示；美國5G海洋國際公司基于母船上現(xiàn)有的吊艇架，正在研究浮動托架式吊放技術(shù)，該收放系統(tǒng)的未來設(shè)計方向是成為一種集自動收放、海上補給于一體，適應(yīng)多種無人系統(tǒng)、多任務(wù)需求的綜合服務(wù)平臺［11-12］；挪威Vest Davit公司研制的HN型雙吊點吊艇架［13］為典型的A架式收放系統(tǒng)，其收放裝置的吊鉤距離可調(diào)，并設(shè)計有獨立的波浪補償系統(tǒng)和自動調(diào)平雙卷揚系統(tǒng)，如圖1（b）所示；此外，Vest Davit公司還開發(fā)出了伸縮式TDB型吊艇架［14］，該吊艇架配置有自主研制的動態(tài)減震器，提供了可供選擇的波浪補償絞車、拉索器、限位開關(guān)和遙控器，并有液壓和全電動2種型號，如圖1（c）所示。國內(nèi)吊放式USV收放技術(shù)研究起步較晚，典型的研究項目有上海大學(xué)設(shè)計的托架配合吊艇架收放裝置，該裝置主要是在現(xiàn)有載人艇吊放式收放裝置的基礎(chǔ)上開展研究，使其能適用于USV收放作業(yè)。

吊放式收放技術(shù)按照吊放位置分為舷側(cè)吊放和艉部吊放2種方式。如圖1（a）、圖1（b）和圖1（c）所示，舷側(cè)吊放技術(shù)需要在母船舷側(cè)設(shè)置吊艇架、小艇存放架（如需要）、艏部牽引索等裝置［15-16］，并需要登艇設(shè)備以便于人員登上USV完成輔助掛鉤操作等。該收放設(shè)備既可設(shè)置在艙內(nèi)，也可設(shè)置在露天部位。圖1（d）所示為美國“獨立”號瀕海戰(zhàn)斗艦艉部伸縮臂式收放系統(tǒng)［17］，該系統(tǒng)在伸縮吊臂下方設(shè)置了具有多個吊點的浮動托架。在回收時，USV駛?cè)敫油屑埽瑢渔i定裝置將二者固定，然后跟隨浮動托架一同吊起；在投放時，USV跟隨浮動托架放入水中，由對接鎖定裝置釋放，然后倒航駛出。采取該方式收放作業(yè)需要人工輔助遙控操作USV駛?cè)敫油屑埽辗旁O(shè)備設(shè)置在艙內(nèi)，并用艉門遮擋存放。

表1 典型的吊放式收放技術(shù)Table 1 Typical launch and recovery technologies of davit

1.2 艉滑道式收放技術(shù)

艉部滑道收放技術(shù)主要應(yīng)用在各種艦艇、公務(wù)船和外貿(mào)船上，包括單滑道系統(tǒng)和雙滑道系統(tǒng)［18-21］，如表2所示。早在1997年，美國“海上貓頭鷹”USV就完成了滑道式收放的工程應(yīng)用方案。為配合瀕海戰(zhàn)斗艦的作戰(zhàn)使命，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于掃雷載具領(lǐng)域。美國物理科學(xué)公司開發(fā)了一種通用型艉滑道收放系統(tǒng)［19］，可在母船航速為15～20 kn時實現(xiàn)載人艇、USV和無人水下機器人（UUV）的收放操作。該系統(tǒng)的傳送滑道安裝有可展開、大間隔的彈性皮帶，既可在母船艉部水下工作時有效降低阻力，也可讓USV在彈性皮帶上柔性登船。荷蘭Marine Systems公司與德國Global Davit公司合作研制了一種新型艉滑道收放系統(tǒng)［20］，該系統(tǒng)主要包括控制單元、起落架式坡道和拖曳體，可在4級海況下實現(xiàn)USV的安全收放，如圖2（a）所示。法國研制的OPV90近海巡邏艦［21］為艉部雙滑道式系統(tǒng)的典型應(yīng)用案例，如圖2（b）所示。目前，國內(nèi)艉滑道式載人小艇收放技術(shù)較為成熟［22］，并已形成單滑道系統(tǒng)、雙滑道系統(tǒng)等不同系列設(shè)計。然而，為滿足USV的發(fā)展趨勢和吊放需求，還需在此基礎(chǔ)上開發(fā)出適合USV的艉部滑道收放技術(shù)。

艉滑道式收放技術(shù)通過滑道系統(tǒng)實現(xiàn)USV的收放作業(yè)。在回收時，USV將選擇合適的沖排時機，并以高于母船的航速沖入艉部滑道，由滑道前方的阻攔索與艇艏掛鉤機構(gòu)自動掛接，阻攔緩沖機構(gòu)則吸收USV沖排時的動能，讓其在短距離內(nèi)受到阻攔而停止，從而實現(xiàn)USV的回收。在釋放時，USV的電控機構(gòu)自動打開掛鉤，此時艇艏與阻攔索分離，USV依靠自重下滑至水面。若外部風(fēng)浪較大，此時可采用阻攔張緊裝置將USV推送至距水面較近的位置，然后由其自由下滑［23］。該收放形式需人工輔助遙控操作以克服尾流影響，并對準(zhǔn)收放裝置沖入滑道。此收放設(shè)備既可設(shè)置在艙內(nèi)，也可設(shè)置在露天部位。

表2 典型的艉部滑道式收放技術(shù)Table 2 Typical launch and recovery technologies of stern ramp

1.3 塢艙式快速收放技術(shù)

關(guān)于利用塢艙搭載USV的技術(shù)，現(xiàn)有研究認為需針對塢艙開發(fā)適用于USV的快速收放系統(tǒng)，包括托架式和滑道式。該收放技術(shù)應(yīng)具有多樣化的特點，并與其他收放技術(shù)相比易于實現(xiàn)。國內(nèi)外暫無在塢艙內(nèi)快速收放USV的應(yīng)用案例。

塢艙托架式收放系統(tǒng)是將USV存放在塢艙內(nèi)的托架上，出艙前先打開艙門向艙內(nèi)注水，此時托架上的USV浮起，然后再打開鎖定裝置，遙控其駛離托架便可完成布放，而回收過程與此相反。塢艙滑道式收放系統(tǒng)則是在塢艙內(nèi)設(shè)置傾斜滑道，回收時打開艙門向艙內(nèi)注水，系統(tǒng)的USV只需駛?cè)雰A斜滑道便可通過牽引絞車等多種方式實現(xiàn)回收，而布放過程則僅需從滑道滑入水中即可。該收放系統(tǒng)可借鑒圖3所示的載人小艇收放裝置，其收放設(shè)備布置在艙內(nèi)，可用艉門遮擋存放。

2 現(xiàn)有收放技術(shù)對比

如前所述，目前USV主要有3種收放技術(shù)。下文將從設(shè)備配置、空間需求、波浪影響（主要分析橫搖和縱搖影響）、母船航速、適應(yīng)海況、操作情況、收放耗時等方面對3種USV收放技術(shù)進行對比分析。

1）設(shè)備配置。

舷側(cè)吊放式收放技術(shù)、艉部伸縮臂吊放式收放技術(shù)、艉滑道式收放技術(shù)、塢艙式快速收放技術(shù)均需根據(jù)技術(shù)需求配置相應(yīng)的成套設(shè)備（表3），若設(shè)備采用艙內(nèi)布置，還需要設(shè)置遮蔽裝置［24-25］。

2）空間需求。

舷側(cè)吊放式收放設(shè)備既可布置在艙內(nèi)，也可布置在露天部位，采用艙內(nèi)布置時需要在舷側(cè)設(shè)置開口；艉部伸縮臂吊放式收放設(shè)備布置在艙內(nèi)，需在母船艉部設(shè)置開口；艉滑道式收放裝置既可布置在艙內(nèi)，也可布置在露天部位，但需在母船艉部設(shè)置開口；塢艙式快速收放設(shè)備布置在艙內(nèi)，需要在船艉配置大型塢艙，且對船體結(jié)構(gòu)有著特殊要求。

表3 收放技術(shù)對比Table 3 Comparison of launch and recovery technologies

3）波浪影響。

USV在波浪作用下會產(chǎn)生包括橫蕩、縱蕩、垂蕩、橫搖、縱搖及艏搖的六自由度運動，其中橫搖、縱搖對收放過程的影響最大［26-27］。舷側(cè)吊放式收放技術(shù)主要受母船的興波和海浪影響，二者疊加后產(chǎn)生的劇烈橫搖可能會使USV撞上母船，而縱搖則給人工解/掛鉤帶來較大難度［28-30］；艉部伸縮臂吊放式收放技術(shù)主要受母船尾流和海浪影響，橫搖會妨礙USV對準(zhǔn)托架，縱搖可能會使USV與托架分別處于波峰和波谷中，不僅使USV進入托架變得困難，而且給快速脫鉤裝置鎖定或釋放USV造成障礙；艉滑道式收放技術(shù)也主要受母船尾流和海浪的影響，橫搖會妨礙USV對準(zhǔn)艉部滑道，而劇烈的縱搖可能會使母船艉部升起、離開水面，使USV進入滑道時存在較大難度；波浪對塢艙式收放技術(shù)的影響相對較小，一旦USV駛?cè)雺]艙，便可關(guān)閉艉門，在塢艙內(nèi)部通過人工輔助操作實現(xiàn)收放，可最大限度地降低波浪對收放過程的影響。

4）航速影響。

舷側(cè)吊放式收放過程不適宜在母船高航速下進行。在布放過程中，當(dāng)USV剛?cè)胨畷r，在纜索的拖拽下可能會造成艇體傾覆。在回收過程中，當(dāng)USV為完成掛鉤而減速，在速度不匹配時，仍可能出現(xiàn)拖帶導(dǎo)致傾覆的風(fēng)險［31-32］。艉部伸縮臂吊放式收放技術(shù)在母船航速過高時會增加USV對準(zhǔn)駛?cè)胪屑艿碾y度；艉滑道式收放技術(shù)在母船航速過高時會增加USV對準(zhǔn)駛?cè)牖赖碾y度；塢艙式快速收放技術(shù)僅需USV駛?cè)雺]艙，其收放作業(yè)可在艙內(nèi)完成，對母船航速適應(yīng)性更好。

5）適應(yīng)海況。

舷側(cè)吊放式收放技術(shù)由于受風(fēng)浪影響較大，難以適應(yīng)高海況下的收放作業(yè)；艉部伸縮臂吊放式收放技術(shù)和艉滑道式收放技術(shù)受風(fēng)浪影響較小，可在較高海況下完成收放作業(yè)；塢艙式快速收放技術(shù)受風(fēng)浪影響更小，可適應(yīng)更高海況下的作業(yè)。

6）操作方式。

舷側(cè)吊放式收放技術(shù)由于受到航速、海況等因素影響較大，仍需人工遙控USV駛?cè)胫付ㄎ恢煤笤龠M行解掛鉤操作；艉部伸縮臂吊放式收放技術(shù)受海況等因素影響較大，需人工遙控USV對準(zhǔn)駛?cè)胪屑埽霍夯朗绞辗偶夹g(shù)受波浪影響較大，需人工遙控USV對準(zhǔn)駛?cè)牖溃粔]艙式快速收放技術(shù)受航速、海況等因素影響不大，需要人工遙控USV對準(zhǔn)駛?cè)胪屑芑蚧馈?/p>

7）收放耗時。

根據(jù)以上分析可知，在一般情況下，3種收放技術(shù)的收放耗時由短到長依次為：塢艙式快速收放技術(shù)＜艉滑道式收放技術(shù)＜吊放式收放技術(shù)。

綜合以上對比和分析可知，塢艙式快速收放技術(shù)形式受航速、海況等因素的影響不大，但需配置大型塢艙，且對船體結(jié)構(gòu)要求比較特殊，適合在各種塢船上推廣應(yīng)用；吊放式收放技術(shù)對母船航速、海況適應(yīng)性較差，人工解掛鉤等操作比較費時，安全性較低，可在已經(jīng)使用吊放式收放技術(shù)的船舶上繼續(xù)發(fā)展；艉滑道式收放技術(shù)在空間需求、母船航速、適應(yīng)海況、操作情況、收放耗時等方面綜合表現(xiàn)更好。因此，本文認為艉滑道式收放技術(shù)更適合于USV的收放需要，也符合未來收放方式的發(fā)展趨勢［9］。

3 收放技術(shù)的發(fā)展方向

美國《海軍無人水面艇總體規(guī)劃》對USV收放技術(shù)提出了長遠的技術(shù)路線圖，指出了收放技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)，包括惡劣環(huán)境下收放過程的安全性、可操作性和收放技術(shù)的簡便性、通用性、便攜性等。上述對比分析表明，艉滑道式收放技術(shù)代表了USV收放技術(shù)的發(fā)展方向，結(jié)合國內(nèi)外收放技術(shù)開發(fā)面臨的難點，有助于準(zhǔn)確判斷該技術(shù)今后的發(fā)展趨勢，并開展相關(guān)研究［33-35］。

3.1 通用型滑道技術(shù)

滑道對于USV停放可以起到支撐作用。在布放時，可依靠重力沿滑道靈活下滑；回收時，也需滑道保持正確導(dǎo)向，并具有一定的碰撞保護功能［36］。另外，為保證USV回收的成功率，滑道最底端需低于水線一定的距離，但如此設(shè)計可能導(dǎo)致滑道位置更靠近母船底部空間，從而影響艉部艙室的設(shè)備布置，因此，通常采用在下翻式艉門結(jié)構(gòu)上設(shè)置滑道，以作為滑道的延伸部分來解決該問題［37］。由于母船和USV型號不盡相同，考慮到收放機構(gòu)的兼容性問題和降低成本的需求，有必要開展通用型收放技術(shù)的研究［38］。在艉滑道式收放技術(shù)中，通用型滑道裝置不僅可以在不同母船上安裝，也可通過調(diào)整滑道結(jié)構(gòu)以適應(yīng)不同USV和UUV的收放要求，如美國物理科學(xué)公司設(shè)計的通用型艉滑道收放系統(tǒng)。由此可見，通用型滑道技術(shù)是USV收放系統(tǒng)首先要解決的關(guān)鍵問題。

3.2 自動阻攔對接技術(shù)

由于母船艉部滑道一般較短，而USV沖排時會帶有一定的航速，若不及時將USV阻攔，可能造成USV沖出滑道、撞擊船體的后果。因此，設(shè)計自動阻攔對接機構(gòu)，采取適當(dāng)?shù)拇胧⑼w有效阻攔，吸收沖排時的動能并自動與艇艏掛鉤。可避免因USV速度過快沖出滑道而帶來的損壞；在布放時，阻攔對接機構(gòu)也可與艇艏自動脫鉤，使USV依靠重力自動滑入水中。

3.3 高精度回收引導(dǎo)控制技術(shù)

高精度回收引導(dǎo)控制技術(shù)需要USV在復(fù)雜海況下持續(xù)跟蹤母船，由遠及近地分別識別母船、滑道標(biāo)識、阻攔對接標(biāo)識，在躲避障礙物、不斷調(diào)整自身位置、克服海浪和尾流影響后駛?cè)牖啦⑼瓿苫厥者^程［39-42］。在USV回收過程中，海況復(fù)雜，艇體晃動劇烈，光線雨霧情況會對激光雷達和相機等傳感器的探測精度及跟蹤穩(wěn)定性帶來較大影響，因此，必須采用多傳感器融合的解決途徑，開展高精度回收引導(dǎo)算法的研究，以保證跟蹤過程的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性［43-44］。國內(nèi)某單位的研究方案則是利用毫米波雷達進行遠距離探測，激光雷達進行中距離探測，雙目相機進行近距離精確對準(zhǔn)，并采用多傳感器主、被動融合思路和TLD（Track?ing-Learning-Detection）算法，利用跟蹤結(jié)果進行在線學(xué)習(xí)，最終實現(xiàn)USV高精度回收引導(dǎo)控制。

4 結(jié) 語

本文對國內(nèi)外目前的USV收放技術(shù)現(xiàn)狀進行了歸納總結(jié)，從設(shè)備配置、空間需求、波浪影響、母船航速、適應(yīng)海況、操作方式、收放耗時等方面，對國內(nèi)外主要采取的吊放式、艉滑道式、塢艙式3種收放技術(shù)進行了對比分析，指出艉滑道式收放技術(shù)更適合于USV投送的需要。針對艉滑道式收放裝置的特點，借鑒美國《海軍無人水面艇總體規(guī)劃》技術(shù)路線圖，提出了有效實施艉滑道式收放裝置需解決通用型滑道技術(shù)、自動阻攔對接技術(shù)、高精度回收引導(dǎo)控制技術(shù)等核心技術(shù)，為后續(xù)收放裝置的技術(shù)攻關(guān)指出了研究方向。

現(xiàn)階段USV收放技術(shù)尚處于發(fā)展初期，國內(nèi)收放技術(shù)的發(fā)展與先進國家相比仍存在較大差距，國內(nèi)艦船行業(yè)應(yīng)迎接USV收放過程中的各種挑戰(zhàn)，準(zhǔn)確把握快速發(fā)展中的趨勢，制定出明確的發(fā)展規(guī)劃，開展有針對性的研究，以早日攻克USV自動收放技術(shù)的世界性難題。