海洋探測無人艇：平臺設計及應用

王偉平，何西，董超,3，鄭兵,3，李雪,3

（1. 國家海洋局南海調查技術中心，廣東 廣州 510300； 2. 自然資源部海洋環(huán)境探測技術與應用重點實驗室，廣東 廣州 510300； 3. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海），廣東 珠海 519080）

1 引言

水面無人艇（unmanned surface vessel，USV）指通過人在岸端遙控或水中自主規(guī)劃航行，完成各項任務的水面運動平臺，由于其具備吃水淺、快速機動、操作靈活等特點，在軍事和民用領域均得到了廣泛的應用[1-3]。在軍事領域，USV可替代人執(zhí)行艱苦、單調且高風險的軍事任務，如掃獵雷、水面及水下警戒、小范圍戰(zhàn)術支持等。在民用方面，目前的USV有部分適用于海洋調查領域的成熟產品，國外廠商及其產品如英國ASV Global公司旗下的C-worker系列、C-Enduro，Ocean Science公司的Z-Boat系列，以及Sea-Robtics等，國內廠商如珠海云洲出品的M80、ME120，上海大學研制的“精海”系列無人艇，安徽科微推出的C400等。

隨著技術的發(fā)展，無人艇的應用場景越來越復雜，無人艇通過集成海洋調查設備，可完成各類海洋探測任務，包括海洋測繪、水質采集、海洋監(jiān)測[4-7]等；通過集成傳感器設備，可完成高動態(tài)環(huán)境下的自主控制、智能航行與避障[8-11]等操作。同時，集成以上多種設備，可實現無人艇在更復雜海洋場景中進行海洋探測任務，如海上大橋橋墩受損監(jiān)測與底質勘察、海上風電場風機與纜線運維[12-13]等，無人艇的參與降低了人直接參與海上活動的風險，節(jié)省任務執(zhí)行時間，同步提高海上運維效率與經濟效益。

與目前的海洋調查無人艇相比，本文的無人艇具備以下優(yōu)勢：雙體、寬甲板平臺設計，具備極高的航行穩(wěn)定性，在3～4級海況下，其數據采集精度仍符合相關海洋調查規(guī)范要求；升降鰭結構設計，保證儀器設備安全，可在極淺水區(qū)作業(yè)；搭載多種感知設備，目前已加裝導航雷達、激光雷達、光電吊艙、前視聲吶等感知設備，保證其航行安全性；搭載多種調查設備，包含多波束、三維側掃聲吶、淺地層剖面儀等，是一種綜合多功能調查無人艇。本次該無人艇參與江西省應急抗洪搶險，屬于無人艇在該類場景中的首次應用。采用無人艇進行抗洪救災現場應急救援，主要原因為：

（1）防洪堤岸巡檢，由人工進行堤岸巡檢效率低，且對于堤岸薄、易坍塌處難以發(fā)現與預防，通過無人艇沿堤岸大范圍的掃測，提前找出堤岸危險點，進行加固或者重點監(jiān)測，可以預防堤岸坍塌，極大地節(jié)省巡檢時間，提高巡檢效率；

（2）洪水湍急、環(huán)境復雜，大船無法作業(yè)，小船作業(yè)危險系數高，而采用目前裝備多種傳感器的中大型無人艇，不僅有主動避開障礙物的能力，且采集數據也更加穩(wěn)定可靠；

（3）受天氣影響小，洪水發(fā)生區(qū)域大雨時間較多，人工守堤危險系數高、操作不便，而無人艇能在雨、雪等復雜天氣環(huán)境下作業(yè)，幾乎不受天氣影響，可高效完成任務。

2 無人艇平臺設計

本文設計的無人艇命名“海洋探測1號”，為了提高復雜水域環(huán)境無人艇的生存能力和水底地形地貌調查能力，主要采用了：（1）雙體平臺設計，且具備寬闊的后甲板平臺單元，一方面保障無人艇航行過程中艇體姿態(tài)的穩(wěn)定性，另一方面寬闊的甲板單元具備更強的設備加裝改造能力、拓展能力好，且甲板可容納操作人員站立進行無人艇操控；（2）升降機構設計，“海洋探測1號”在兩片艇體之間采用了升降機構，在升降機構下方平臺安裝多波束測深系統換能器，保證采集數據時換能器入水，遇到觸礁危險時換能器出水回歸初始位置，在抗洪救災現場通過升降機構保證了多波束的安全與可靠運行。

2.1 艇體雙體平臺設計與技術指標

“海洋探測1號”無人艇平臺整體結構上采用雙主機推進模式，通過左右差速控制船舶的回轉運動，選用高性能雙體船型配小角度外傾船艏，其具備優(yōu)點為：其航行時船體興波小，有利于水聲設備的工作；其甲板面積寬敞，提高平臺的搭載能力和拓展性；雙體船穩(wěn)性好，在靜水中的橫搖衰減快，致使在不規(guī)則波上的搖擺消失得快；雙體船兩個螺旋槳軸線和片體間距都比較大，提高平臺的操縱性和機動性；雙體船側向投影面積大，提高平臺對側向流的抵抗能力，提高平臺的艏向穩(wěn)定性?！昂Ｑ筇綔y1號”船體型線如圖1所示。

圖1 “海洋探測1號”船體型線

“海洋探測1號”整體結構上共分為船體、設備艙、光電平臺和甲板機械四大部分。

? 船體采用混合骨架結構進行加強，共分為3個艙室，從首至尾為防撞艙、動力能源艙和推進系統控制艙3部分，艙室之間設水密艙壁，通過過壁穿艙件走線，動力能源艙和推進系統控制艙對應甲板處設水密艙蓋一個；動力能源艙左片體放置推進器的動力能源電池和充電機箱，右片體放置柴油發(fā)電機；油箱布置在船體中部的連接橋內；推進器為掛機形式，船尾預留一個艙室用于推進器控制盒等電子器件的安裝。

? 設備艙位于甲板前部，主要用于布置平臺的控制機箱、通信機箱、空調和任務設備控制機箱等硬件控制設備，設備布置為層架式結構；艙內預留人員工作位；艙體采用全密閉設計；設備艙內與片體連接處開一個艙蓋，設置一個內隔艙；線纜通過設備艙與片體相接處走線密封；在設備艙后端面上布置水密門一個。

? 光電平臺位于設備艙頂部，主要集成雷達、攝像頭、慣性導航天線、舷燈和通信天線等多種光電設備，線纜集束后通過模塊化穿艙件進入控制設備艙內。

? 甲板機械主要指位于甲板上的升降器和自動絞車，兩者采用同軸線中心對稱布置，線纜通過水密穿艙件引入設備艙內，甲板上預留內凹走線槽和軌道，便于后期拓展應用。 “海洋探測1號”的設計方案布置如圖2所示，實物如圖3所示。

圖2 “海洋探測1號”設計方案布置

圖3 “海洋探測1號”無人艇實物

“海洋探測1號”技術指標見表1。

表1 “海洋探測1號”技術指標

2.2 升降機構設計與設備集成

多波束測深系統換能器的集成采用了升降機構設計，主要針對水域地形復雜、淺點較多的環(huán)境而設計，可防止無人艇擱淺，保護設備安全。升降機構布置于距船艏水線1/3處，采用液壓機構驅動，主要實現水下探測設備的收/放。正常作業(yè)時，升降機構下放任務設備到指定的深度，開始作業(yè)任務。不作業(yè)正常航行時升降機構升起，將載荷設備提出水面，保護載荷設備并降低無人艇航行阻力，同時提高無人艇的通過能力。升降機構安裝布置結構如圖4所示。

圖4 升降機構安裝布置結構

升降機構采用液壓折疊升降四連桿方式，可有效降低整船高度，不占用甲板面積，采用24 V DC雙向微型液壓泵驅動，液壓缸行程為200 mm，缸徑為40 mm，壓力為13 kPa，伸出力為1 632 kg，回收力為1 224 kg，可滿足50 kg任務載荷的需求。升降高度為456 mm，通過轉接法蘭盤實現不同任務設備的搭載，系統在液壓缸意外泄壓時能夠自動發(fā)現并補壓。升降機構工作狀態(tài)示意圖（上提狀態(tài)）如圖5所示。

圖5 升降機構工作狀態(tài)示意圖（上提狀態(tài)）

升降機構集成的調查設備為淺水多波束系統，系統可以分為水下換能器和水上主機兩部分，換能器安裝于升降機構下端，通過液壓泵驅動升降機構，實現多波束的入水工作和出水回收。工作時，保證船舶工作航速航行時換能器浸沒在水中，并能有效避免亂流和附面層氣泡的干擾；回收后，設備回收離開水面，降低設備風險。

多波束主機安裝于設備艙內，換能器線纜通過水密穿艙件進入設備艙并接入主機，主機數據接口為TCP/IP，通過RJ45網口接入工控機內，通過遠程桌面的形式在遠端控制基站進行參數配置、數據采集及存儲。多波束測深系統安裝結構如圖6所示。

圖6 多波束測深系統安裝結構

3 應用案例分析

3.1 岸堤巡檢背景

2020年7月，受連續(xù)強降雨影響，信江（鄱陽湖水系五大河流之一）水位持續(xù)上漲，長時間、高水位的浸泡，增加了堤防出險的可能。災區(qū)各地堤壩管涌滲水不斷，人工巡堤排查效率低。2020年7月21日，南海調查技術中心接到來自江西抗洪前線協助查險的邀請，立即抽調技術骨干組成抗洪小分隊，攜帶“海洋探測1號”無人艇趕往江西省上饒市信江信瑞聯圩六零騰溪段，使用艇載多波束測深系統進行岸堤巡檢，排查管涌風險點。2020年7月22日上午，抗洪小分隊在對現場環(huán)境進行初步排查后，克服底圖缺失、江面環(huán)境復雜、現場保障條件不足等困難，開始作業(yè)。由于水位上漲、雨水沖刷、堤壩重筑等原因，水下部分的形貌已經改變，不能依據原有底圖進行無人艇的測線布設，采用人工操控無人艇行進開展水下地形測繪，7月23日，完成信江信瑞聯圩六零騰溪段14 km岸堤底質環(huán)境調查任務。

3.2 數據采集與處理

采用“海洋探測1號”完成信江信瑞聯圩六零騰溪段14 km岸堤的巡檢工作后，快速作出岸堤水下三維形貌圖，經排查，判斷岸堤整體健康，但存在4處疑似風險點，對疑似風險點進行重點分析，給出經緯度坐標、三維結構大小和局部高清圖，并提出進一步排查與預防的建議。余干縣信江信瑞聯圩六零騰溪段大壩地形勘測總體如圖7所示。

圖7 余干縣信江信瑞聯圩六零騰溪段岸堤地形勘測總體

經排查，本段防洪岸堤存在的4處風險點如圖8所示。

圖8 本段防洪岸堤存在的4處風險點

在對14 km的大壩堤岸進行數據處理時，共發(fā)現4處風險點。圖8（a）中風險點位于本段堤壩的下游位置，該處疑似為一沖刷溝槽，長約38 m，寬約5.5 m，深約0.5 m；圖8（b）中風險點存在疑似滑塌，堤坡界面已經模糊不可見，并與疑似滑塌體相連；圖8（c）中風險點位于風險點（b）北段約50 m處，存在滑塌可能；圖8（d）中風險點位于本段堤壩的上游位置，疑似為一沖刷溝槽，長約8 m，寬約4.5 m，深約1 m。

3.3 數據精度分析

為評估采用雙體寬平臺設計和升降機構無人艇作業(yè)的效果，對“海洋探測1號”采集的14 km堤岸多波束數據進行精度分析，以說明無人艇航行穩(wěn)定性和設計合理性。

（1）CARIS商業(yè)軟件精度分析

基于國際海道測量組織（International Hydrographic Organization，IHO）特別出版物第44號（Special Publication No.44：S-44）的第4版規(guī)范，將測量分為特級、一級、二級、三級4個等級，利用CARIS商業(yè)軟件對無人艇采集多波束原始數據進行處理，完成后利用軟件自帶測線精度分析功能，針對后處理數據進行數據質量精度評估。

利用CARIS HIPS and SIPS 水深后處理軟件，在剔除測線粗差后，其內符合精度評估功能對測線數據進行計算得到的IHOS-44的特級、1a級和2級標準的比對結果如圖9所示，可見，符合特級標準的數據合格率高于76.617%，符合1a級標準的數據合格率高于93.867%，符合2級標準的數據合格率高于98.609%。多波束測線數據質量內符合精度見表2。

圖9 多波束測線數據內符合精度

表2 多波束測線數據質量內符合精度

（2）主測線—聯絡測線精度分析

將經過后處理的聯絡測線數據與主測線的數字地形模型DTM進行比較，這個數字地形模型由測量區(qū)域的所有主測線所創(chuàng)建。通過比較聯絡測線水深點水深值與主測線數字地形模型的交叉點深度不符值，對交叉點深度不符值進行系統誤 差及粗差檢驗。剔除系統誤差和粗差后，水深小于30 m時不符值限差為0.6 m，水深大于30 m時不符值限差為水深的2%；超限點數不得超過參加對比總點數的10%。評估方式利用主測線與聯絡測線交叉點水深值進行水深測量精度評估，計算式為：

其中，M表示交叉點水深差值中誤差，id表示第i個交叉點的水深差值，n表示主測線與檢查線交叉點個數。

主測線以0.5 m網格間距進行網格化，聯絡測線共有1 153 876個測點，重復測點水深差值基本信息統計見表3，調查區(qū)平均水深在30 m以內，交叉點水深差值中誤差為0.11 m，滿足規(guī)范要求。

表3 水深差值基本信息統計

4 結束語

在無人艇作業(yè)水域，尤其近岸人類活動密集水域，或者洪災發(fā)生水域，水流湍急，水質渾濁，漂浮垃圾多，對無人艇性能要求非常高。“海洋探測1號”無人艇采用雙體、寬甲板平臺設計， 并通過升降機構集成多波束換能器。這種設計可保證無人艇具備較高的航行姿態(tài)穩(wěn)定性，提高復雜水域無人艇任務執(zhí)行能力。經應用驗證，“海洋探測1號”無人艇性能優(yōu)良，具備在復雜水域開展水下探測的能力。

在無人艇應用到抗洪救災的過程中，由于無人艇采集的多波束以及三維側掃聲吶數據，無法實時回傳，也無法進行實時處理，防洪堤壩水下地形的數據處理結果需要等待較長時間，這對于隨時會發(fā)生潰堤風險的防洪工作是不可接受的，數據處理不及時可能會給人民群眾造成巨大生命財產的損失。隨著海洋物聯網相關的傳感器及核心零部件的技術，尤其是復雜海洋環(huán)境下的數據感知和通信傳輸技術的突破[14]，目前在海洋無人艇上，海洋觀測設備采集數據實時回傳與實時同步處理技術正在被關注與研究，相關技術也正在被論證，海洋無人艇搭載各類儀器設備的數據采集、數據實時回傳與同步處理技術將為海洋觀測帶來巨大的便利性與實效性，對于構建天基、海面、水下多傳感器網絡實時通信系統研究具有重要的意義。