彭 艷,葛 磊,李小毛,鐘雨軒,張 鑫

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院,上海200444)

無(wú)人水面艇(unmanned surface vehicle,USV)是指依靠船載傳感器,以自主或半自主方式在水面航行的智能化平臺(tái),可廣泛應(yīng)用于海洋運(yùn)輸、海洋環(huán)境調(diào)查、海洋資源探測(cè)、海洋考古、水上搜救、情報(bào)搜集、海事訓(xùn)練測(cè)試、偵察取證、警戒巡邏、火力打擊、艦艇護(hù)航、反水雷和反潛等任務(wù).無(wú)人水面艇是網(wǎng)絡(luò)化無(wú)人系統(tǒng)中的重要節(jié)點(diǎn),將顛覆傳統(tǒng)海戰(zhàn)樣式,催生全新海洋裝備體系,對(duì)海洋資源開(kāi)發(fā)和國(guó)家海洋權(quán)益維護(hù)具有重要的意義,受到世界各海上強(qiáng)國(guó)(如美國(guó)和歐洲等國(guó))的高度重視.

截至2017年9月,當(dāng)今世界在研和現(xiàn)役的無(wú)人水面艇共有約88種類型,其中在研的無(wú)人水面艇有25種.美國(guó)發(fā)展無(wú)人水面艇主要以軍事應(yīng)用為主,而歐洲各國(guó)發(fā)展無(wú)人水面艇主要以民用運(yùn)輸船為主.

2007年,美國(guó)海軍海上系統(tǒng)司令部(Naval Sea Systems Command,NAVSEA)制定了《海軍USV總體規(guī)劃》,表明美國(guó)將在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)持續(xù)無(wú)人水面艇的開(kāi)發(fā)研究.此后,美國(guó)軍方開(kāi)始統(tǒng)籌各軍種無(wú)人系統(tǒng)的發(fā)展,并統(tǒng)一發(fā)布《無(wú)人系統(tǒng)路線圖》,對(duì)無(wú)人水面艇的作戰(zhàn)需求、關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域以及與其他無(wú)人系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通性進(jìn)行了總體規(guī)劃.2013年美國(guó)發(fā)布的最新版《無(wú)人系統(tǒng)路線圖》對(duì)無(wú)人水面艇的技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)和能力需求做了說(shuō)明：近期(未來(lái)5年間)無(wú)人水面艇的能力需求是提高在本地受控區(qū)域執(zhí)行特定任務(wù)的自主性并提高聯(lián)網(wǎng)能力；中期(未來(lái)5～10年)將擴(kuò)展行動(dòng)范圍并增加任務(wù)類型；遠(yuǎn)期(未來(lái)10～25年)則可在全球自主執(zhí)行任務(wù).

歐洲比較有代表性的有羅爾斯·羅伊斯股份公司,該公司在“2016無(wú)人駕駛船舶技術(shù)研討會(huì)”上,推出了“高級(jí)無(wú)人駕駛船舶應(yīng)用(advanced autonomous waterborne applications,AAWA)開(kāi)發(fā)計(jì)劃”,并發(fā)布了AAWA項(xiàng)目白皮書(shū),闡述了該項(xiàng)目如何實(shí)現(xiàn)遙控與無(wú)人駕駛船舶的構(gòu)想.

近年來(lái),各國(guó)在軍用和民用領(lǐng)域加大了科研力度,掀起一股無(wú)人水面艇的研究熱潮.然而由于海洋環(huán)境惡劣(如強(qiáng)海浪涌等)和無(wú)人水面艇運(yùn)動(dòng)模型的特殊性(如模型高度非線性、強(qiáng)時(shí)滯性和時(shí)變性等),較于無(wú)人車和無(wú)人機(jī)等無(wú)人系統(tǒng),無(wú)人水面艇的研究面臨著一些特殊的附加挑戰(zhàn).

1 研究現(xiàn)狀和主要成果

無(wú)人水面艇相較于其他無(wú)人系統(tǒng)發(fā)展滯后.不過(guò)無(wú)人系統(tǒng)在很多層面上,尤其是在自動(dòng)化學(xué)科領(lǐng)域有很多共通點(diǎn),因此無(wú)人水面艇可在其他無(wú)人系統(tǒng)研究成果的基礎(chǔ)上,根據(jù)所面臨的特殊挑戰(zhàn)(如海洋環(huán)境、船體模型等)進(jìn)行開(kāi)創(chuàng)性研究.在美國(guó)和以色列這2個(gè)當(dāng)今世界上無(wú)人水面艇技術(shù)最先進(jìn)的國(guó)家,無(wú)人水面艇的發(fā)展在很大程度上得益于其無(wú)人機(jī)、無(wú)人地面車輛和無(wú)人潛航器等無(wú)人系統(tǒng)上的優(yōu)勢(shì).特別是美國(guó)無(wú)人水面艇在很大程度上借鑒了火星無(wú)人車Rover的算法及其軟件框架CARACaS(control architecture for robotic agent command and sensing)[1].

本工作針對(duì)無(wú)人水面艇所面臨的特殊挑戰(zhàn),從態(tài)勢(shì)感知、航行規(guī)劃和導(dǎo)航、控制幾個(gè)方面來(lái)研究其現(xiàn)狀和主要成果.態(tài)勢(shì)感知、航行規(guī)劃和導(dǎo)航、控制之間的關(guān)系框圖如圖1所示.航行規(guī)劃和導(dǎo)航包含2個(gè)部分：全局航路規(guī)劃和局部反應(yīng)式導(dǎo)航.從單船角度出發(fā),全局航路規(guī)劃、局部反應(yīng)式導(dǎo)航和控制所需執(zhí)行頻率依次提升.

1.1 無(wú)人水面艇的態(tài)勢(shì)感知

無(wú)人水面艇的態(tài)勢(shì)感知可以描述為：依據(jù)使用需求配置各種類型的傳感器進(jìn)行互補(bǔ),實(shí)現(xiàn)水下-水上、近距和遠(yuǎn)距目標(biāo)探測(cè),并針對(duì)每種傳感器的特性對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)、跟蹤、識(shí)別等由粗至精的融合處理,從而提取目標(biāo)的關(guān)鍵要素,并依據(jù)實(shí)際任務(wù)需求所需的目標(biāo)屬性,構(gòu)建出覆蓋“水上-水下”的多尺度、多維度立體綜合環(huán)境態(tài)勢(shì)圖,從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人水面艇對(duì)周圍環(huán)境的自主、準(zhǔn)確及有效的認(rèn)知.無(wú)人水面艇所搭載的傳感器一般有激光雷達(dá)、相機(jī)(含可見(jiàn)光和紅外)、雷達(dá)、聲吶和自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(antomatic identification system,AIS)等,其所獲取的感知數(shù)據(jù)通過(guò)融合處理即可形成態(tài)勢(shì)感知圖.目前,基于地面無(wú)人車[2]和空中無(wú)人機(jī)平臺(tái)[3]的態(tài)勢(shì)感知的一些研究成果已經(jīng)可以應(yīng)用于無(wú)人水面艇中,但是無(wú)人水面艇本體和工作環(huán)境具有一定的特殊性,其在態(tài)勢(shì)感知方面除了受光照、霧天等影響外,還面臨特殊挑戰(zhàn),如海面目標(biāo)可觀性弱、船體晃動(dòng)劇烈、海雜波強(qiáng)和水下目標(biāo)探測(cè)困難等.

圖1 態(tài)勢(shì)感知、航行規(guī)劃和導(dǎo)航、控制的關(guān)系框圖Fig.1 Diagram of the relationships between situation awareness,path planning and navigation and control

2009年,葡萄牙波爾圖工程學(xué)會(huì)在ROAZⅡ號(hào)海洋無(wú)人測(cè)量艇基礎(chǔ)上單獨(dú)加裝商用航海雷達(dá)Furuno、光電傳感器(紅外和可見(jiàn)光)及其對(duì)應(yīng)的岸基控制命令系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)近距離和遠(yuǎn)距離障礙探測(cè)[4]；2010年,圣地亞哥空軍海軍戰(zhàn)爭(zhēng)系統(tǒng)中心利用Velodyne公司的64線激光測(cè)距雷達(dá)對(duì)海上各種物體進(jìn)行探測(cè),并對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析[5]；Lee等[6]采用徑向最近鄰方法實(shí)現(xiàn)了無(wú)人水面艇上激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的目標(biāo)檢測(cè)；2017年,上海大學(xué)“精?！睙o(wú)人水面艇采用Velodyne公司的16線激光和2.5D柵格地圖的障礙檢測(cè)方法,將障礙表征為橢圓,實(shí)現(xiàn)了海面目標(biāo)跟蹤[7]；Heidarsson等[8]通過(guò)在無(wú)人水面艇上安裝機(jī)械掃描淺地層剖面聲吶,實(shí)現(xiàn)了水下目標(biāo)探測(cè)；Leedekerken等[9]在無(wú)人水面艇上搭載聲吶測(cè)量設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了水下環(huán)境建模[9].

2010年,Wolf等[10]在CARACaS框架下,基于360相機(jī)提出了一個(gè)面向巡邏任務(wù)的自主視覺(jué)分析和跟蹤方法,用于目標(biāo)跟蹤和威脅判別；2011—2015年,南洋理工大學(xué)的Wang等[11-13]利用可見(jiàn)光單目和雙目視覺(jué),在高速無(wú)人水面艇上測(cè)試障礙檢測(cè)跟蹤系統(tǒng),并指出由于海面反射和波浪涌動(dòng)影響,故在障礙檢測(cè)結(jié)果中會(huì)出現(xiàn)很多虛假障礙；2013年,Wang等[13]為解決目標(biāo)跟隨過(guò)程中白浪花引起的虛警和目標(biāo)遮擋等問(wèn)題,采用立體數(shù)據(jù)估計(jì)海平面和其他物體的高度,并利用高度屬性進(jìn)行障礙物判定；2015年,Hermann等[14]基于視覺(jué)和雷達(dá),采用卡爾曼濾波技術(shù)估計(jì)船體姿態(tài)和位置信息,以應(yīng)對(duì)無(wú)人水面艇在高速行駛過(guò)程中的船體抖動(dòng)、雜波抑制和目標(biāo)航跡維持問(wèn)題.

與國(guó)外相比,我國(guó)適于無(wú)人水面艇的傳感器設(shè)備和自主處理系統(tǒng)相對(duì)比較薄弱.為此,針對(duì)無(wú)人水面艇的任務(wù)需求和海洋環(huán)境,研制出穩(wěn)定高效的自主感知傳感器,形成相應(yīng)的理論體系和技術(shù)架構(gòu),提升環(huán)境感知和認(rèn)知能力是我國(guó)無(wú)人水面艇態(tài)勢(shì)感知的重點(diǎn)研究方向.

1.2 無(wú)人水面艇的航行規(guī)劃和導(dǎo)航

無(wú)人水面艇航行規(guī)劃和導(dǎo)航過(guò)程可以描述為依據(jù)態(tài)勢(shì)感知圖,綜合考慮任務(wù)需求、航行安全(擱淺和氣候等)、航行空時(shí)效率(時(shí)間、距離和偏差等)、航行規(guī)則(海事避碰規(guī)則)、船體操縱性(最小轉(zhuǎn)彎半徑等)和環(huán)境不確定性(障礙物狀態(tài)不確定等)等要素,在滿足無(wú)人水面艇航行安全性的前提下,發(fā)揮無(wú)人水面艇的效能.無(wú)人水面艇航行規(guī)劃和導(dǎo)航不僅同其他無(wú)人運(yùn)載系統(tǒng)一樣面臨動(dòng)態(tài)不確定環(huán)境感知問(wèn)題,而且具有一些特殊挑戰(zhàn),如海事避碰規(guī)則多且具有多模糊屬性,船體時(shí)滯性大、慣性強(qiáng)且不同船型相差大.無(wú)人水面艇航行規(guī)劃和導(dǎo)航分為：全局航路規(guī)劃和局部反應(yīng)式導(dǎo)航.全局航路規(guī)劃從全局可用信息角度來(lái)規(guī)劃滿足任務(wù)需求的安全高效航向；而局部反應(yīng)式導(dǎo)航以滿足全局航路規(guī)劃為目的,根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和局部環(huán)境信息進(jìn)行局部調(diào)整，且同全局航路對(duì)接.

全局路徑規(guī)劃通常能高效安全地解決路徑到達(dá)[15]和路徑覆蓋[16]這2個(gè)問(wèn)題.首先,全局路徑規(guī)劃需定義路徑規(guī)劃的位姿空間；然后,根據(jù)搜索算法,如A*[17],D*[18]和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[19]等,獲取滿足任務(wù)需求的安全優(yōu)化路徑.全局路徑規(guī)劃需針對(duì)無(wú)人水面艇的機(jī)動(dòng)特性和相關(guān)航線評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),利用直線和弧線等幾何形狀[20-21]生成至少2階可微的光滑路徑.路徑曲率的不連續(xù)將會(huì)導(dǎo)致無(wú)人水面艇船體等欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的橫向加速度的不連續(xù),從而最終導(dǎo)致無(wú)人水面艇艏向控制器的控制受到影響[22].Candeloro等[23]基于Fermat spiral和Voronoi圖方法規(guī)劃生成曲率連續(xù)且滿足避障要求的航線；Lekkas[15]從航線光滑程度、航路精度、可跟蹤性和計(jì)算時(shí)間建立了航路評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),并以此標(biāo)準(zhǔn)采用單調(diào)3次Hermite樣條插值方法生成光滑航路.

局部反應(yīng)式導(dǎo)航分為跟隨/跟蹤導(dǎo)航和局部反應(yīng)避障,二者相互融合形成最終的局部反應(yīng)式導(dǎo)航律,其中局部反應(yīng)避障優(yōu)先級(jí)高于跟隨/跟蹤導(dǎo)航.完成全局航路規(guī)劃任務(wù)需分二步走,第一步證明局部反應(yīng)式導(dǎo)航的穩(wěn)定性和收斂性,第二步證明由導(dǎo)航律和控制器構(gòu)成的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和收斂性[15].根據(jù)任務(wù)場(chǎng)景不同,跟隨/跟蹤導(dǎo)航可分為目標(biāo)跟蹤、路徑跟隨、路徑跟蹤、路徑機(jī)動(dòng)[24].跟隨/跟蹤導(dǎo)航經(jīng)常采用導(dǎo)彈中的視線(line of sight,LOS)導(dǎo)航、Pure Pursuit和Constant Bearing制導(dǎo)思想[25-27].Lekkas等[15,28]提出了時(shí)變前向距離LOS方法以提升LOS導(dǎo)航方法的穩(wěn)定性；Fossen等[29]提出了積分LOS,以應(yīng)對(duì)慢時(shí)變干擾條件下的導(dǎo)航.基于虛擬目標(biāo)的跟隨/跟蹤導(dǎo)航可參考文獻(xiàn)[30].

Kuang等[31]指出,海洋無(wú)人運(yùn)載平臺(tái)避障的主要挑戰(zhàn)為海事避碰規(guī)則的適應(yīng)性和船體動(dòng)力學(xué)的多樣性；Statheros等[32]描述了在動(dòng)態(tài)避障場(chǎng)景中船體建模、避障算法和導(dǎo)航系統(tǒng)所涉及數(shù)學(xué)方法的研究現(xiàn)狀.局部反應(yīng)避障方法有速度障礙[33]、虛擬力場(chǎng)[34]和Voronoi圖[35]等.Naeem等[36]和Kuwata等[37]分別將速度障礙同海事避碰規(guī)則結(jié)合用于無(wú)人水面艇的局部反應(yīng)避障；Stenersen[38]基于機(jī)器人操作系統(tǒng)(robot operating system,ROS)搭建了一個(gè)滿足海事避碰規(guī)則約束的速度障礙避障的開(kāi)源平臺(tái)；Perer等[39]基于模糊方法實(shí)現(xiàn)了無(wú)人水面艇的局部避障,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試和評(píng)估；Woerner[40]將速度障礙擴(kuò)展至柔性多閾值形式,以更好地表征和評(píng)估人類的駕駛經(jīng)驗(yàn)；Shah[41]基于網(wǎng)格化和模型預(yù)測(cè)方法提出了一種自適應(yīng)危險(xiǎn)和偶然事件感知的導(dǎo)航避障方法,以實(shí)現(xiàn)在動(dòng)態(tài)擁堵條件下的航行[42]、目標(biāo)追蹤[43]和圍堵[44]等；Candeloro等[45]基于Voronoi圖、Fermat spiral和自適應(yīng)LOS方法,構(gòu)建了一個(gè)由全局航路規(guī)劃、局部反應(yīng)避障和路徑跟隨組成的無(wú)人海洋運(yùn)載平臺(tái)的航行規(guī)劃和導(dǎo)航系統(tǒng).

目前,已有的關(guān)于無(wú)人水面艇的航行規(guī)劃和導(dǎo)航的研究較多,不過(guò)還需進(jìn)一步提升其智能性.為此,需利用當(dāng)前人工智能理論基礎(chǔ)和方法,解決開(kāi)放、動(dòng)態(tài)和在不確定場(chǎng)景下的意圖判斷及其表征問(wèn)題,以提高宏觀航路規(guī)劃和微觀的緊急狀態(tài)判斷和處理能力,從而實(shí)現(xiàn)有人水面艇和無(wú)人水面艇的共融駕駛.

1.3 無(wú)人水面艇的控制

無(wú)人水面艇的控制是以導(dǎo)航輸出作為期望輸入,同導(dǎo)航律構(gòu)成穩(wěn)定級(jí)聯(lián)控制系統(tǒng),解決航行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)定位、軌跡跟蹤、路徑跟蹤等控制問(wèn)題,使無(wú)人水面艇能夠穩(wěn)定地做出各種航行所需動(dòng)作.然而,無(wú)人水面艇的控制面臨模型高度非線性和不確定性、系統(tǒng)欠驅(qū)動(dòng)、船體本身和執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)滯性、執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和特性、不可預(yù)測(cè)的強(qiáng)外部干擾和系統(tǒng)故障等挑戰(zhàn)[46-47].同其他控制系統(tǒng)一樣,無(wú)人水面艇的控制包含模型、模型辨識(shí)和控制器3部分.

船舶動(dòng)力學(xué)研究可以分為2個(gè)基礎(chǔ)領(lǐng)域：操縱性研究和耐波性研究[48].操縱性研究是指沒(méi)有浪干擾條件下的平面運(yùn)動(dòng)性能的研究,操縱性模型通常用3或4自由度進(jìn)行表征；耐波性研究是指存在浪干擾條件下的航速和航向保持能力的研究,耐波性模型需用6自由度進(jìn)行表征.操縱性和耐波性的結(jié)合稱為波浪中的操縱性[49].Fossen[49-51]廣泛系統(tǒng)地描述了水面艇的數(shù)學(xué)模型,即根據(jù)弗勞德數(shù)取值范圍的不同,水面船模型可以分為排水型船舶、半排水型船舶和滑行船舶,而目前最簡(jiǎn)單的和流行的船體模型為1階Nomoto模型；Yu等[52]對(duì)水面艇模型進(jìn)行拓展,使其可應(yīng)用于具有側(cè)滑的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景.系統(tǒng)辨識(shí)屬于一個(gè)很成熟的研究領(lǐng)域[53],Journee[54]對(duì)1階和2階Nomoto模型了進(jìn)行辨識(shí)；Ferera等[55]將隨機(jī)參數(shù)法同擴(kuò)展卡爾曼法相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了非線性船模型辨識(shí)；Annamalai等[56]采用加權(quán)最小二乘對(duì)無(wú)人水面艇進(jìn)行了模型辨識(shí).盡管精確和完整的無(wú)人水面艇模型對(duì)控制具有十分重要的意義,但數(shù)值模型的建立代價(jià)高且耗時(shí),為此通常需對(duì)船體模型進(jìn)行簡(jiǎn)化[57].

動(dòng)態(tài)定位屬于無(wú)人水面艇一個(gè)典型控制問(wèn)題.S?rensen[58]對(duì)海洋動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)進(jìn)行了總括描述.通常情況下動(dòng)態(tài)定位面向全驅(qū)動(dòng)低速無(wú)人水面艇,而大部分無(wú)人水面艇屬于欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的非完整約束性會(huì)導(dǎo)致全驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制方法無(wú)法直接應(yīng)用于欠驅(qū)動(dòng)無(wú)人水面艇[59].Huang等[60]采用反步法和李雅普若夫直接法解決了路徑跟隨場(chǎng)景下的欠驅(qū)動(dòng)問(wèn)題.基于模型的抗干擾控制通常設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制律[61]對(duì)干擾進(jìn)行估計(jì)和抑制,而逼近控制通常采用積分策略對(duì)干擾進(jìn)行抑制[29,62].Annamalai等[56]基于模型預(yù)測(cè)控制方法解決了模型突變問(wèn)題.另外,有些智能控制方法能同時(shí)解決無(wú)人水面艇模型的不確定性、非線性和外界干擾問(wèn)題,如面向無(wú)人水面艇動(dòng)態(tài)定位的自適應(yīng)模糊控制器[63].

實(shí)體控制系統(tǒng)執(zhí)行器存在各種約束,如響應(yīng)速度、飽和性和耐用性等.在設(shè)計(jì)控制器時(shí)如果沒(méi)有考慮控制與實(shí)際執(zhí)行的差距,那就會(huì)大大降低控制器的性能甚至導(dǎo)致發(fā)散.雖然很多控制器考慮了幅度和速率約束,但沒(méi)有考慮驅(qū)動(dòng)器和無(wú)人水面艇整體系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性[46],因此Liu等[64]采用基于模糊邏輯自適應(yīng)聯(lián)合卡爾曼方法的多傳感數(shù)據(jù)融合方法實(shí)現(xiàn)了故障檢測(cè)診斷.

由于無(wú)人水面艇模型所面臨運(yùn)行環(huán)境的動(dòng)態(tài)性和復(fù)雜性,實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中通常采用復(fù)合控制方法和結(jié)構(gòu)來(lái)提升控制性能.應(yīng)將其與態(tài)勢(shì)感知結(jié)合,感知外部環(huán)境干擾和內(nèi)部自身狀態(tài)變化,從而對(duì)外部干擾[65]和內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)和預(yù)測(cè),形成控制態(tài)勢(shì)感知圖；再將人工智能方法學(xué)習(xí)人工駕駛策略與傳統(tǒng)控制方法結(jié)合,以滿足各種任務(wù)對(duì)航行的需求.Breivik等[66]闡述了導(dǎo)航模塊對(duì)于控制模塊的重要性,并指出無(wú)人水面艇控制器應(yīng)與其相結(jié)合.

2 國(guó)內(nèi)外比較與發(fā)展趨勢(shì)

2.1 國(guó)際無(wú)人水面艇研究趨勢(shì)

無(wú)人水面艇的發(fā)展將會(huì)在已有無(wú)人系統(tǒng)成熟體系技術(shù)的基礎(chǔ)上,根據(jù)其所面臨的使用需求和挑戰(zhàn),形成無(wú)人水面艇系統(tǒng)自身獨(dú)有的技術(shù)體系和產(chǎn)品體系,如美國(guó)的無(wú)人水面艇技術(shù)借用了火星無(wú)人車Rover的相關(guān)軟件體系架構(gòu)和基礎(chǔ)技術(shù),以色列無(wú)人水面艇技術(shù)也借用了美國(guó)在無(wú)人車和無(wú)人機(jī)上很多先進(jìn)的無(wú)人技術(shù).

未來(lái)無(wú)人水面艇將朝著體系化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化和群體協(xié)同化方向發(fā)展.這里,體系化表示無(wú)人水面艇作為無(wú)人系統(tǒng)的一部分,已形成系列化產(chǎn)品；標(biāo)準(zhǔn)化體現(xiàn)為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)模塊化接口,根據(jù)任務(wù)需求對(duì)任務(wù)載荷實(shí)現(xiàn)快速換裝,達(dá)到一船多用的目的；智能化體現(xiàn)為利用多傳感器融合處理技術(shù)、環(huán)境認(rèn)知技術(shù)、人工智能技術(shù)和控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)人水面艇的智能性；群體協(xié)同化體現(xiàn)為無(wú)人水面艇之間的協(xié)同、無(wú)人水面艇和人之間的協(xié)同、無(wú)人水面艇和其他無(wú)人和有人系統(tǒng)的協(xié)同.國(guó)外正逐步形成需求分析、科學(xué)研究、仿真驗(yàn)證、工程研制、實(shí)體驗(yàn)證和裝備生成的完備體系,以加速提升技術(shù)和推廣應(yīng)用.

2.2 國(guó)內(nèi)研究特色與差距

在國(guó)內(nèi),近幾年無(wú)人水面艇的研究已取得了快速的發(fā)展.上海大學(xué)研制的“精?！毕盗袩o(wú)人水面艇配備北斗導(dǎo)航系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)自主定位、航跡自主跟蹤、航跡線遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)設(shè)定、障礙物自主避碰等,并搭載了海洋測(cè)量設(shè)備進(jìn)行海底地形地貌勘測(cè)和海底管道探測(cè)；搭載水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)海洋常規(guī)“體檢”；珠海云州智能有限公司研發(fā)了云洲LE2000型海洋測(cè)量無(wú)人水面艇,可協(xié)同海事搜救；重慶萬(wàn)里高科技有限公司研發(fā)的DF-C400警用無(wú)人水面艇,可實(shí)現(xiàn)對(duì)特定水域的輔助巡邏.除此之外,國(guó)家海洋局第一海洋研究所、哈爾濱工程大學(xué)和上海交通大學(xué)等科研院所,以及海蘭信、武漢勞雷綠灣、中國(guó)船舶重工股份有限公司等許多企業(yè)也都對(duì)無(wú)人水面艇技術(shù)開(kāi)展了研究.目前,我國(guó)無(wú)人水面艇正針對(duì)民用和軍用領(lǐng)域需求開(kāi)展廣泛研究.

雖然我國(guó)無(wú)人水面艇已具備一定的自主環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、自主避障和自主控制能力,并能根據(jù)需求完成相應(yīng)的測(cè)繪、勘測(cè)、環(huán)境監(jiān)視和巡邏等任務(wù),但是技術(shù)水平相對(duì)較低,同美國(guó)、以色列、挪威和英國(guó)等國(guó)家相比還是存在較大差距.我國(guó)大部分無(wú)人水面艇目前主要處于遙控和自主性較弱階段,除了船型、動(dòng)力、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)外,在態(tài)勢(shì)感知、航行規(guī)劃和導(dǎo)航及其控制方面都有較大差距.其中原因很多,除了已有的技術(shù)落后外,主要是無(wú)人水面艇整體研究缺乏統(tǒng)一系統(tǒng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃,產(chǎn)學(xué)研用沒(méi)有形成一個(gè)良性循環(huán)有機(jī)整體.

3 需求與展望

無(wú)人水面艇將會(huì)成為無(wú)人系統(tǒng)中連接空中、地面、水上和水下各節(jié)點(diǎn)的重要中繼節(jié)點(diǎn).隨著對(duì)海洋的越來(lái)越多的重視,各國(guó)及其相應(yīng)的海洋機(jī)器人公司將會(huì)根據(jù)實(shí)際使用需求研制無(wú)人水面艇.無(wú)人水面艇主要有3個(gè)應(yīng)用方向：軍用船、科考船和海運(yùn)船.目前軍用船和科考船產(chǎn)品已被成功研制并應(yīng)用于實(shí)際需求中,而海運(yùn)船正處于預(yù)研階段,預(yù)計(jì)在2035年將出現(xiàn)自主遠(yuǎn)洋無(wú)人水面船舶.

軍用方面,無(wú)人水面艇可以在偵查、威懾、防御和攻擊等方面成為海軍的主要力量倍增器,無(wú)人水面艇可用于敵我身份不明等危險(xiǎn)情況下的海上任務(wù),以保護(hù)海軍作戰(zhàn)人員生命安全,提高作戰(zhàn)效率和效能比；科考方面,無(wú)人水面艇可以搭載相應(yīng)的探測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)人和有人的協(xié)同探測(cè),降低測(cè)繪人員的工作強(qiáng)度和操作風(fēng)險(xiǎn)；海運(yùn)方面,無(wú)人水面艇能夠降低人工成本,節(jié)能降耗,減少事故.自主無(wú)人水面艇必將成為海運(yùn)行業(yè)的未來(lái)發(fā)展重點(diǎn).

隨著技術(shù)的發(fā)展及其智能性的提升,無(wú)人水面艇將會(huì)被廣泛應(yīng)用于海洋運(yùn)輸、掃雷、反潛、巡邏、科學(xué)考察、測(cè)繪、事故監(jiān)測(cè)及救援、石油開(kāi)采等領(lǐng)域.與其他無(wú)人系統(tǒng)相比,無(wú)人水面艇將成為第一個(gè)具有突破意義的無(wú)人產(chǎn)業(yè)化支柱.

4 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人水面艇是海洋機(jī)器人的一個(gè)重要分支.本工作圍繞無(wú)人水面艇的態(tài)勢(shì)感知、航行規(guī)劃和導(dǎo)航、控制方面介紹國(guó)內(nèi)外的主要研究進(jìn)展,分析了國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)及國(guó)內(nèi)研究特色與差距.隨著各海洋強(qiáng)國(guó)和大國(guó)對(duì)海洋的重視,已有的無(wú)人技術(shù)將會(huì)被利用.美國(guó)和以色列等無(wú)人水面艇強(qiáng)國(guó),在已有無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)數(shù)十年體系化的積累,已形成較完備的理論和技術(shù)體系.雖然我國(guó)已有相應(yīng)的無(wú)人水面艇產(chǎn)品,但是大多數(shù)產(chǎn)品的自主程度較于國(guó)外還有一定差距,特別是研究體系和理論創(chuàng)新.因此,我國(guó)應(yīng)以需求為導(dǎo)向,針對(duì)無(wú)人水面艇面臨的特殊問(wèn)題和挑戰(zhàn),加快無(wú)人水面艇關(guān)鍵技術(shù)理論體系研究,盡快在各個(gè)領(lǐng)域形成體系化和標(biāo)準(zhǔn)化的無(wú)人水面艇裝備,提升國(guó)家在海洋裝備體系水平.