无人艇应用发展与控制技术

摘要：面对未来水上作战环境的立体化、多样化、复杂化，无人机/无人艇在充分利用自身优势的基础上，能够通过协同的形式获得作战效能的最大化，无人机/无人艇协同控制为军事领域和民用领域的水上作业提供了新的技术手段。本文分别对空海跨域协同-机/艇协同概念、国内外无人机/无人艇协同发展现状、无人机/无人艇协同起降技术及无人机/无人艇协同控制的未来发展趋势等方面进行了总结。

关键词：无人艇；应用发展；控制技术 引言

近年来，无人平台技术获得了世界范围内的广泛重视和深入研究，尤其是无人机技术发展尤为迅猛，并在多个领域实现了成功应用。无人水面艇与无人机、无人车和无人潜航器同属于四大无人平台成员,受到控制、计算机、人工智能、材料、通信等高新技术的有力推动，近30年来无人水面艇（Unmanned Surface Vehicles, USV）技术发展较快，并被应用于民用及军事领域。

1.无人艇的系统构成及技术 1.1系统构成

无人艇的架构设计一般划分为监控站（岸基/母舰监控分系统）、无人艇（本体分系统）两大部分。对于无人艇本体而言，根据任务、功能的不同，无人艇的系统构成主要包括：载体、动力、操纵、控制、感知、通信、导航、载荷、作业、保障等子系统。基于模块化的设计理念，可将子系统细分为各个功能模块。无人艇研制中，依据使命任务需求和总体设计方案，分别对各功能模块进行技术攻关、详细设计、软硬件开发，通过系统集成最终构建出具备自主操控、安全航行及特定功能的无人系统。一种典型的无人艇系统构成图如图1所示，为了保障

无人艇有效运行，其中包含约20个子系统（功能模块），显然无人艇是一个非常复杂的系统。

图1 一种典型的无人艇系统构成图

无人艇的各个子系统（模块）之间紧密联系，相互支撑、缺一不可。无人艇遂行任务时，通过远程通信模块实现无人艇与监控站之间的无线信息交互，接收指控指令，并反馈艇载信息（艇体、环境、目标等数据）；无人艇的核心是智能控制分系统，它结合艇体姿态、环境感知模块获得环境/目标信息及使命任务，进行任务决策、路径规划、障碍规避、航迹跟踪，甚至协同控制；对于一些军用无人艇，会通过目标感知及态势，启动智能打击及防御模块，对目标进行打击或自身防御。在无人艇出现故障后，可以通过故障诊断模块进行分析、处理，启动相应的安全策略。同时，通过自动驾驶模块可以切换遥控模式或自主模式，根据不同任务及需求选择适宜的运行模式。

1.2技术内涵 ①载体设计技术

载体系统是无人艇的“身体”即平台基础，载体设计技术包括无人艇的艇型设计、动力学分析与测试、总体设计与集成、高速航行稳定性、抗倾覆性、浮态自恢复等技术。

目前，无人艇主要包括滑行、排水、多体、水翼、半潜等五类艇型。其中军用领域一般采用滑行或半滑行艇型，而民用领域则一般以排水、多体型为主。

②自主规划与控制技术

如果把无人艇比作一个人的话，那么智能控制系统将是无人艇的“大脑”，而自主技术则是其核心。自主技术能够降低无人艇对于人员和通信带宽的需求，同时扩展任务范围或改善操控性能。一直以来自主技术都是无人装备的核心研究领域，虽然近年来发展迅速，但是自主等级、可靠性和环境适应性等仍有很大提升空间。

③环境感知技术

环境感知系统是无人艇的“眼睛”，是实现自主航行和作业的前提。近年来，尽管在无人艇传感器及处理技术方面有了较大发展，但在环境感知技术领域仍存在较多技术问题。比如海上视觉感知算法，当前仍处在初期发展阶段，可靠跟踪、识别能力亟待提高。

2.无人水面艇关键技术 2.1高度智能化技术

由于水中的工作环境的复杂化和不可预知性，因此无人水面作战平台USV系统应该不断的改进和完善自身的智能体系结构，加强系统的应对变化的能力，提升系统的自主学习的能力，使无人作战平台拥有更好的自主性和适应性。USV无人系统作战平台的自主性和适应性主要由系统的人工智能技术、集成控制技术和软件系统的性能决定的。目前，人工智能技术主要是人工神经网络技术和基于符号的推理技术，两项技术各有优缺点，因此，将两项技术结合开发利用可以提高系统的学习和适应能力。对于系统软件的设计和系统集成控制方面，很多国家都

在进行研发，主要集中在以下几个方面：多传感器信息的融合和识别，兼容性好的软件结构体系，潜水器的闭环运动控制技术等等。

2.2动力推进与能源技术

目前的水面无人艇系统作战平台的工作范围受动力能源的影响很大，续航能力决定了它们的工作范围，能源的效率决定它们的动力性能。目前的无人作战平台的航速普遍较低，一般都在10节以内，并且工作范围也比较小，工作时间短，这都是受到了动力性能的限制。因此要提高无人作战平台的能力，提高其动力性能是十分必要的。现在大多数的水中无人平台的能源主要是：银锌电池，锂电池，碱性蓄电池，铝氧半燃料电池等，这些电池虽然应用比较广泛，但是也都存在一定的不足。为了提高无人作战平台的续航力，应开发发电效率更高、费效比高、可反复使用的新的能源来提高其动力性能。

2.3导航与定位技术

水中无人系统作战平台上的探测与导航设备就是平台的“眼睛”，平台在水中工作时完全依靠探测和导航设备的收集的信息来进行航行和定位的。无人作战平台能否航行到指定地点进行作业和完成指定的任务，导航技术起到了至关重要的作用。目前的水中无人作战系统平台的导航设备主要有惯性导航系统、GPS系统、多普勒速度仪等。目前的水中无人作战系统平台多采用多种技术组合的导航方式，即利用GPS定位系统结合水下声波定位的方法进行定位，利用惯性导航系统、多普勒速度仪和卡尔曼滤波器等等设备结合声纳和摄像机拍摄的图像数据进行导航。但是，目前在多种设备的数据融合方面还存在着不足，需要继续的完善。同时一些国家在开发新型的导航技术，如海底地形匹配导航和重力磁力导航技术等等，都是发展导航技术的新的方向。

2.5通信技术

水面无人作战平台系统的通信联络是多个平台之间信息交换的主要方式。目前水面无人作战平台的通信方式主要有水声通信和光纤电缆通信两种，其中利用光纤电缆通信属于有线通信，它是利用电缆和光缆作为传输媒介来传递信息，它的特点是传输信号速度快、可靠性高，但是需要有光缆和电缆来连接两个工作单

位，这就限制水中平台的作业范围和灵活性；而水声通信属于无线通信方式，它的作用距离取决于使用设备的载波频率和发射功率，它的传输速度比较低，传输信息的距离也十分有限，同时水声通信受到环境的影响也很大。研究水声通信是目前各个国家的发展的重点，他们主要集中于研究水声高速度、远距离传输技术和传输安全性等问题。

5 结束语

无人水面艇是海洋机器人的一个重要分支。随着各海洋强国和大国对海洋的重视，已有的无人技术将会被利用。美国和以色列等无人水面艇强国，在已有无人系统技术的基础上，经过数十年体系化的积累，已形成较完备的理论和技术体系。我国应以需求为导向，针对无人水面艇面临的特殊问题和挑战，加快无人水面艇关键技术理论体系研究，尽快在各个领域形成体系化和标准化的无人水面艇装备，提升国家在海洋装备体系水平。

参考文献

1.张卫东，刘笑成，韩鹏. 水上无人系统研究进展及其面临的挑战[J]. 自动化学报，2020，46（5）： 847-857.

2.赵良玉，程喆坤，高鳳杰，等. 无人机/艇协同自主降落的若干关键技术[J].中国造船，2020，61（S1）：156-163.