史婧力 整理

2019 年10月10日～13日，“海上爭(zhēng)鋒”2019中國(guó)智能船艇挑戰(zhàn)賽在山東日照舉行。本次比賽是我國(guó)首次在實(shí)際海域海況條件下舉辦的無人智能船艇比賽。比賽設(shè)有遙控繞標(biāo)賽、自主繞標(biāo)賽、穿越險(xiǎn)阻賽、海上爭(zhēng)鋒賽、新型智能船艇功能展示競(jìng)賽5個(gè)類別，重點(diǎn)考核智能船艇的性能、能效、自主航行、障礙規(guī)避、目標(biāo)搜索與識(shí)別、任務(wù)規(guī)劃和協(xié)同策略等水平，共有30余支隊(duì)伍、120余人參賽。經(jīng)過3天的激烈角逐，最終上海交通大學(xué)“追夢(mèng)3號(hào)”等3艘船艇獲得了E組比賽一等獎(jiǎng)。本刊選取獲獎(jiǎng)參賽船艇，以文字、圖及視頻的方式向業(yè)界展示此次賽事的技術(shù)亮點(diǎn)。

一等獎(jiǎng)

1. 追夢(mèng)3號(hào)

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)：上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院

技術(shù)亮點(diǎn)

● 基于船艇四自由度耦合動(dòng)力學(xué)方程的航跡規(guī)劃與循跡控制功能：考慮“追夢(mèng)3號(hào)”高速滑行艇船型，在對(duì)船艇動(dòng)力學(xué)模型精準(zhǔn)辨識(shí)與建模的基礎(chǔ)上，分析其動(dòng)力學(xué)約束與響應(yīng)并作為優(yōu)化目標(biāo)代入規(guī)劃與控制算法，算法解算后對(duì)執(zhí)行層發(fā)送操舵與油門指令，達(dá)到對(duì)船艇的最優(yōu)化柔順控制。

● 高速船艇避碰功能：考慮“追夢(mèng)3號(hào)”較高的航速，對(duì)于船艇航行安全的危險(xiǎn)目標(biāo)避碰功能在實(shí)時(shí)性上提出了更高的要求，在對(duì)船艇高速航行條件下安全臨界區(qū)域的建模與計(jì)算基礎(chǔ)上，對(duì)經(jīng)典避碰算法引入如并行計(jì)算、趨避因子以及上面所述的動(dòng)力學(xué)限制等元素，實(shí)現(xiàn)快速、局部最優(yōu)的避碰。

● 基于船艇運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及惡劣氣候條件下的海上目標(biāo)感知與識(shí)別：考慮“追夢(mèng)3號(hào)”在大海況條件下運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的橫搖、縱搖運(yùn)動(dòng)對(duì)海上目標(biāo)圖像的干擾，同時(shí)考慮惡劣氣候條件（如雨、霧、反光）造成的海上目標(biāo)圖像失真，在經(jīng)典算法基礎(chǔ)上引入海上目標(biāo)的特征進(jìn)行修正與還原，增強(qiáng)算法對(duì)海上環(huán)境的適應(yīng)能力。

相關(guān)介紹

“追夢(mèng)3號(hào)”無人艇，總長(zhǎng)7.02m，型寬2.51m，排水量約2.55t，最高航速可達(dá)30kn。該艇經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室課題組硬件智能化改造后，航向控制上以繼電器模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)導(dǎo)航泵的精準(zhǔn)控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)舷外掛機(jī)的精準(zhǔn)程控；目標(biāo)感知上采用雷達(dá)與船用攝像機(jī)群組合探測(cè)的方式，其中雷達(dá)采用FMCW原理能在全氣候下工作，目標(biāo)感知距離達(dá)50m至66km；船用攝像機(jī)群集高靈敏度紅外探測(cè)器、紅外鍺鏡頭、高清攝像機(jī)、球形護(hù)罩、高速云臺(tái)等于一體，它能夠穿透黑夜，在霧霾和雨雪環(huán)境也有較好的表現(xiàn)，可提供全天候的圖像監(jiān)控；導(dǎo)航上采用GPS與慣導(dǎo)集成的組合導(dǎo)航模式，實(shí)時(shí)位置定位精度可達(dá)米級(jí)，艏向角精度可達(dá)0.1度級(jí)。

2、 Spaitlab-USV120

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)：北京理工大學(xué) 隊(duì)員：周治國(guó) 徐力生 荊朝 孫佳恩 周學(xué)華

技術(shù)亮點(diǎn)

● 通信技術(shù)：采用WIFI+4G的通信方式，對(duì)比單一的通信模式，該方法能夠保證通信適應(yīng)不同的場(chǎng)合。

● 自主返航：在失去通信的情況時(shí)，可以通過自主返航方案，保證無人船航行的安全。

● 運(yùn)動(dòng)控制：采用一種將二次函數(shù)模型和PD算法相結(jié)合的控制方案，提高了智能無人船的轉(zhuǎn)彎的響應(yīng)速度。

● 視覺系統(tǒng)：采用深度學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜水面背景下目標(biāo)的識(shí)別，具有較強(qiáng)的魯棒性。

● 水文采集：搭載多種監(jiān)測(cè)傳感器，以遙控/自主的工作方式，完成相關(guān)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及巡航監(jiān)測(cè)任務(wù)。

3. 港口安防“智”方案

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)：同方佰宜科技（北京）有限公司

技術(shù)亮點(diǎn)

● 可實(shí)現(xiàn)人工操作方式、操作桿方式和遙控方式的實(shí)時(shí)切換。

● 可實(shí)現(xiàn)航路規(guī)劃、區(qū)域規(guī)劃、自主導(dǎo)航和自主避障功能。

● 具有視頻監(jiān)控和錄像功能，并且可根據(jù)用戶需求加載聲拒止任務(wù)載荷、蛙人聲吶任務(wù)載荷、水樣檢測(cè)任務(wù)載荷等，實(shí)現(xiàn)功能定制。

相關(guān)介紹

基于無人艇的水面、水下智能安防方案組成：智能巡航無人艇、晝夜攝像機(jī)+聲拒止的水面察打設(shè)備，以及智能巡航無人艇、高頻警戒聲吶+等離子強(qiáng)聲對(duì)抗的水下察打設(shè)備。該方案以確保安防效果為主旨，以減輕人工工作強(qiáng)度、提高安防智能化、精準(zhǔn)度為目標(biāo)，在有效解決安防的同時(shí)，減少物力、財(cái)力的支出。

二等獎(jiǎng)

1. 帶動(dòng)力的獨(dú)立模塊無人船

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)：上海海事大學(xué)

技術(shù)亮點(diǎn)

● 模塊化設(shè)計(jì)后，可根據(jù)不同情況組合出不同的船只，適合對(duì)各種環(huán)境變量，包括圖像、風(fēng)速、水流等，進(jìn)行偵測(cè)的環(huán)境感知無人船，可在不同的環(huán)境感知無人船上搭載不同的傳感器，以期實(shí)現(xiàn)更高精度的測(cè)量。

● 所有底層硬件設(shè)備通用，可帶來較快的維修更換速度。

● 增加通信保障無人船，搭載相關(guān)增強(qiáng)定位設(shè)備，支持了RTK厘米級(jí)定位等，實(shí)現(xiàn)高精度的作業(yè)；加入供電無人船和拖船，滿足無人船長(zhǎng)時(shí)間野外航道、近海、遠(yuǎn)海等的作業(yè)，并在故障發(fā)生時(shí)，及時(shí)對(duì)受損無人船進(jìn)行回港維修，可大大降低無人船邊際成本，提高其應(yīng)用場(chǎng)景。

2、雙體綜合救援船光子號(hào)

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)：哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）隊(duì)長(zhǎng)：劉崇生隊(duì)員：朱應(yīng)俊 青彥余 郭麗慧 刁秀瑋 祝淑婷 鞏凱

技術(shù)亮點(diǎn)

● 新型的雙體船+龍門吊架構(gòu)。

● 矢量風(fēng)扇推進(jìn)+螺旋槳推進(jìn)的復(fù)合推進(jìn)方式。

● 智能航行+丟失自動(dòng)返航。

● 智能識(shí)別。

● 海上救火+漂浮物打撈。

未來技術(shù)實(shí)現(xiàn)

● 識(shí)別火源后自主運(yùn)算水流落點(diǎn)，自主滅火。

● 龍門吊自主識(shí)別抓取。

● 螺旋槳推進(jìn)和空氣槳推進(jìn)協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)最大推進(jìn)效率。

3. 基于協(xié)同控制的海上自主變形平臺(tái)

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)：上海交通大學(xué)船建學(xué)院隊(duì)員：于特 周暢 江鵬 胡長(zhǎng)俊 黃遠(yuǎn)嬌

設(shè)計(jì)靈感

該平臺(tái)設(shè)計(jì)理念源于不具備單獨(dú)作業(yè)能力且活動(dòng)性差的平臺(tái)。圖1是spacex的火箭發(fā)射平臺(tái)，圖2是平臺(tái)的協(xié)同拖曳。這樣的平臺(tái)其靈活性很差，不具備單獨(dú)作業(yè)能力，那么如果把其拆解為諸多子模塊小型水面船舶，是否會(huì)讓其有更廣泛的應(yīng)用前景呢？該船的設(shè)計(jì)理念由此而來。首先對(duì)超大浮體進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，把其分解為諸多子模塊，利用子模塊的快速性、集群性完成更多任務(wù)。另一方面，設(shè)計(jì)這些子模塊為可重構(gòu)無人船，使其可以根據(jù)需要重構(gòu)為不同形狀，如船體、超大甲板、浮橋等。

技術(shù)亮點(diǎn)

● 同構(gòu)的對(duì)接設(shè)計(jì)，任何船可以在任何位置與其他無人船進(jìn)行對(duì)接。

● 去中心化設(shè)計(jì)，如若某無人船受損，其他無人船可替代其位置，整體功能不受影響。

應(yīng)用前景

● 可重構(gòu)為海上浮橋：相對(duì)人為安裝浮橋，效率更高，且可重復(fù)利用，適用度更廣?？芍貥?gòu)為海上浮橋，用于連接兩岸或者兩個(gè)大型船舶、平臺(tái)、快速轉(zhuǎn)移人員、物資等。

● 可重構(gòu)為海上浮體：?jiǎn)蝹€(gè)無人船具有超大浮體不具備的快速性，航行速度快?？芍貥?gòu)為海上浮體，用于?？繜o人機(jī)，在此基礎(chǔ)上，可繼續(xù)研究對(duì)無人機(jī)物資、燃料、電量的自動(dòng)補(bǔ)充，進(jìn)而擴(kuò)大無人機(jī)的使用半徑。

● 可重構(gòu)、同構(gòu)的無人船：動(dòng)態(tài)警戒，可以多艘無人船圍繞一條母船進(jìn)行巡航?；跓o人船集群，可以展開空中無人機(jī)巡航、水下布放auv，實(shí)現(xiàn)立體全面的動(dòng)態(tài)防護(hù)。

4. 天下號(hào)智能雙體船

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)：哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）

技術(shù)亮點(diǎn)

● 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)：控制系統(tǒng)采用太陽(yáng)能供電，船體上安裝有柔性太陽(yáng)能板，弱光條件下也可發(fā)出9V電壓的電能，通過太陽(yáng)能控制器給鋰電池充電，可以實(shí)現(xiàn)無人船與地面站之間無間斷連續(xù)通訊。

● 水冷系統(tǒng)：

● 防水設(shè)計(jì)：嚴(yán)密防水，采用3D打印的攝像機(jī)外殼，防水性能極佳，保證圖傳系統(tǒng)在惡劣天氣下也能正常運(yùn)行。

● 可靠性：翻船自救，整船水密性極好，所有設(shè)備做到防水，船舵上加裝翻船水舵，在船傾覆的情況下，可以利用螺旋槳風(fēng)力作為動(dòng)力，水舵控制方向，駛回岸邊，無需救援船。

后續(xù)改進(jìn)技術(shù)

● 導(dǎo)航精度、慣導(dǎo)和GPS融合，加裝慣導(dǎo)，采用卡爾曼濾波，提高導(dǎo)航精度，在GPS信號(hào)丟失的情況下仍能正常航行。

● 避障功能，采用360°檢測(cè)。采用多個(gè)激光雷達(dá)準(zhǔn)確判斷障礙物的具體方位和距離，制定更加合理的避障策略，實(shí)現(xiàn)船舶航行最優(yōu)化。

● 動(dòng)力系統(tǒng)供電，增大覆蓋面積。加大柔性太陽(yáng)能板的覆蓋面積或者實(shí)現(xiàn)部分船身由太陽(yáng)能板制作，能夠?yàn)榇皠?dòng)力系統(tǒng)供電。

相關(guān)介紹

采用雙體船結(jié)構(gòu)，減少受波浪干擾，高速航行尤其平穩(wěn)。動(dòng)力系統(tǒng)采用雙槳單舵，搭配120A電調(diào)和2200kv無刷電機(jī)，采用6s電池獨(dú)立供電，時(shí)速最高可達(dá)90km/h，續(xù)航能力10km。無干擾條件下，圖傳距離實(shí)測(cè)23公里，數(shù)傳距離31公里，發(fā)射接收雙冗余，丟包重發(fā)，并可連接地面站隨時(shí)調(diào)參?？刂葡到y(tǒng)配有雙羅盤、GPS，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制、路徑規(guī)劃、自主航行功能，并采用激光雷達(dá)測(cè)距避障，采用的策略是探測(cè)前方5米內(nèi)有障礙物，舵機(jī)轉(zhuǎn)向設(shè)定角度，航行設(shè)定時(shí)間，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)前方障礙物，直到前方無障礙，并依靠GPS定位逐步返回到設(shè)定路徑，繼續(xù)航行。

5. 基于聲吶的無人船排污口檢測(cè)

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)：上海海事大學(xué)

技術(shù)亮點(diǎn)

側(cè)掃聲吶，通過換能器走航時(shí)向兩側(cè)下方發(fā)射扇形波束的聲脈沖，并接收信號(hào)記錄下來。工作時(shí)發(fā)射出的聲波投射在海底的區(qū)域呈長(zhǎng)條形，換能器陣接收來自照射區(qū)各點(diǎn)的反向散射信號(hào)，經(jīng)放大、處理和記錄，在記錄條紙上顯示出海底的圖像?；夭ㄐ盘?hào)較強(qiáng)的目標(biāo)圖像較黑，聲波照射不到的影區(qū)圖像色調(diào)很淡，根據(jù)影區(qū)的長(zhǎng)度可以估算目標(biāo)的高度。

實(shí)船試驗(yàn)與測(cè)試

● 側(cè)掃聲吶測(cè)試驗(yàn)證：在“海翔”號(hào)上搭載Towfish DE340型號(hào)的側(cè)掃聲吶，其測(cè)試和工作平臺(tái)如圖所示。

● 室內(nèi)通電測(cè)試：主要檢查各種設(shè)備硬件連接、通信是否正常，模擬采集是否正常，備件是否齊全。同時(shí)整理新進(jìn)設(shè)備隨機(jī)資料，制作開箱驗(yàn)收單，歸檔相應(yīng)的資料。

● 測(cè)深穩(wěn)定性測(cè)試：將測(cè)量船停泊在一處水深超過5m的安靜碼頭水域，連續(xù)開機(jī)采集8h以上，在5m處放置水深檢查板進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以中央波束為準(zhǔn)檢查儀器穩(wěn)定性。

● 測(cè)深精度符合性測(cè)試：在上海臨港地區(qū)附近選取一處范圍100m×10m左右（現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整）的自然水域?qū)嵤l帶蓋測(cè)深，對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行全覆蓋測(cè)量，根據(jù)測(cè)量區(qū)域水深和開角設(shè)計(jì)計(jì)劃測(cè)線，分別采用不同掃寬、不同測(cè)量模式、不同船速等不同設(shè)置進(jìn)行測(cè)量。使用該條帶多波束垂直于主測(cè)線設(shè)計(jì)檢查線，為保證檢查線水深精度，檢查線開角計(jì)劃使用90°。將不同采集設(shè)置采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，使用主測(cè)線與檢查線測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)符合檢查，并與現(xiàn)有水深圖進(jìn)行外符合比對(duì)檢查。

● 障礙物探測(cè)能力測(cè)試：為檢查該條帶多波束發(fā)現(xiàn)海底障礙物能力，在臨港航道北側(cè)水域處進(jìn)行測(cè)試，使用準(zhǔn)備Towfish DE340側(cè)掃聲吶對(duì)其進(jìn)行全覆蓋掃測(cè)。

6. 用于海洋牧場(chǎng)的綠色智能三體無人艇——涵澤號(hào)

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)：上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院隊(duì)員：楊鑫德 齊世霏 李選鵬 張東超

技術(shù)亮點(diǎn)

● 高穩(wěn)性低阻船型：設(shè)計(jì)具有內(nèi)傾式船艏的、引入壓浪條的三體穿浪船型。能夠?qū)崿F(xiàn)耐波性、適航性、快速性、減小抨擊載核的性能優(yōu)化。

三維建模圖

三體穿浪船型

引入楔形壓浪條，平穩(wěn)穿浪

● 智能航行技術(shù)。海洋牧場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，航行持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)需要做好養(yǎng)殖網(wǎng)箱等障礙規(guī)避。針對(duì)可能的突發(fā)情況需要與上位機(jī)實(shí)時(shí)通訊。解決方案為：與上位機(jī)通信，可回收數(shù)據(jù)、手動(dòng)控制?；贕PS定位、激光雷達(dá)協(xié)調(diào)作用的自動(dòng)航行，基于4G網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)。在廣域海面行視時(shí)，我們主要依賴于GPS定位，在復(fù)雜海域，主要利用的是激光雷達(dá)的避障和路徑規(guī)劃，借助于4G網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)網(wǎng)穿透技術(shù)完成了船上工控機(jī)與上位機(jī)的實(shí)時(shí)通信。

相關(guān)介紹

船型方面，該艇采用內(nèi)傾式船艏與楔形壓浪條聯(lián)合使用的高性能三體船型，CFD計(jì)算結(jié)果及實(shí)艇航行測(cè)試結(jié)果表明：在設(shè)計(jì)航速下，采用三體船型設(shè)計(jì)相比常規(guī)船型大幅度提高了船舶穩(wěn)性，橫搖角幅值減小約40%，并有效減輕“海豚跳”現(xiàn)象；內(nèi)傾式船艏在遭遇波浪時(shí)能劈開波浪并使上浪快速流出甲板，同時(shí)尖銳的外形可以減小高速航行時(shí)的風(fēng)阻；楔形壓浪條帶來了超過16%的阻力減幅，并有效減少了甲板淹濕；在橫剖面常速入水實(shí)驗(yàn)中，以0.5m/s的低速入水時(shí)楔形壓浪體提供可以提供較小的回復(fù)力，以1m/s的高速入水時(shí)楔形壓浪體提供的回復(fù)力明顯增大，可以有效地抑制無人艇的埋首、縱搖等運(yùn)動(dòng)。能源方面，本艇以風(fēng)能、太陽(yáng)能為無人艇能源來源，通過風(fēng)帆受風(fēng)作用獲取航行器前進(jìn)的推力，太陽(yáng)能供電系統(tǒng)將太陽(yáng)能通過光電轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化為電能，為用電設(shè)備提供能源，同時(shí)針對(duì)風(fēng)帆艇氣動(dòng)-水動(dòng)跨介質(zhì)動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的自動(dòng)航行控制算法，通過分析所選用風(fēng)帆的空氣動(dòng)力特性原理，獲取風(fēng)帆無人艇的最大推力系數(shù)函數(shù)和最佳操帆函數(shù)，以此為基礎(chǔ)精確操帆與實(shí)時(shí)獲取最佳艏向角，從而完成以艇速最大為目標(biāo)的艏向控制。智能控制方面，該艇舵機(jī)控制、螺旋槳控制均采用標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議接口，可作為航行算法（如無人艇路徑規(guī)劃算法、避碰算法、循跡算法等）原理及內(nèi)湖測(cè)試驗(yàn)證的公共平臺(tái)。

三等獎(jiǎng)

1. USV-H2500無人測(cè)量艇

技術(shù)亮點(diǎn)

● 集成化、模塊化、易拆卸、可實(shí)現(xiàn)各種不同任務(wù)載荷，任務(wù)載荷＞70KG，4G通訊，無距離限制，5G實(shí)驗(yàn)已成功，續(xù)航時(shí)間可達(dá)7天。圍繞無人船+任務(wù)載荷，將為內(nèi)河及海洋測(cè)繪行業(yè)帶來無人化和智能化技術(shù)革新，為無人系統(tǒng)在內(nèi)河及海洋科技領(lǐng)域發(fā)展帶來新的方向。

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)：武漢勞雷綠灣船舶科技有限公司

● 超越傳統(tǒng)人工作業(yè)范圍。針對(duì)淺水、暗礁、碎石、傳統(tǒng)測(cè)繪船進(jìn)入危險(xiǎn)性大，測(cè)繪工作難度大。

● 解放人力，測(cè)繪效率高。傳統(tǒng)水上測(cè)量的首要工具就是船，不管是市郊的江河，還是僻靜的水庫(kù)，找到一艘適合測(cè)繪人員開展測(cè)繪作業(yè)的船只也不是一件容易的事情。一艘無人測(cè)繪船僅20多公斤，可輕松裝車攜帶，搬運(yùn)也非常輕便簡(jiǎn)單，這就節(jié)省了因找船、調(diào)度而花費(fèi)的大量額外時(shí)間和精力。最重要的是效率明顯提升。僅以此次測(cè)量為例，延岸4公里，外延50米，間距50米的斷面測(cè)繪，用無人船僅耗時(shí)40分鐘，比起傳統(tǒng)人工駕船測(cè)量需要的4小時(shí)，時(shí)間效率上整整提高了5倍，測(cè)量人員只需待在岸邊進(jìn)行操作。

● 經(jīng)濟(jì)價(jià)值顯著。無人船的出現(xiàn)是具有顯著經(jīng)濟(jì)價(jià)值的。傳統(tǒng)的水上測(cè)量，除了費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還費(fèi)錢，不僅養(yǎng)人養(yǎng)船需要不菲的開支，船只等物資的維護(hù)費(fèi)用也不低。無人船的出現(xiàn)，可以在保障更高效率作業(yè)的基礎(chǔ)上，減少人力和物力的投入，運(yùn)作成本更低，一舉兩得。

● 測(cè)繪精度更高。無人船不僅要為測(cè)繪領(lǐng)域創(chuàng)造更加寬泛、高效、經(jīng)濟(jì)的作業(yè)模式，最根本的還在于要為水上測(cè)繪提供更加高精度的測(cè)量水準(zhǔn)。由于無人船的作業(yè)全程均受計(jì)算機(jī)控制，可以讓作業(yè)過程嚴(yán)格按設(shè)定執(zhí)行，任務(wù)結(jié)果更準(zhǔn)確、更標(biāo)準(zhǔn)。加上無人船船體短小輕便，具有更高的舵效（亦即舵對(duì)航向的控制能力），因此其貼線精度可由傳統(tǒng)的若干米提升至±0.5米，大大增加了測(cè)繪的準(zhǔn)確度。

2. 海上騎士無人作戰(zhàn)系統(tǒng)

技術(shù)亮點(diǎn)

● 船體結(jié)構(gòu)方面：主船體采用深V型滑行艇，設(shè)計(jì)了兩個(gè)縱向斷級(jí)，四個(gè)壓浪條，通過這些來保證船艇的快速性，該船的傅汝德數(shù)為Fr=V/√gL=0.556；船體干舷處加裝浮性附體，改善其橫搖恢復(fù)力矩，提高其適航性；采用雙槳差速與船首空氣螺旋槳結(jié)合的操縱方式，在船首安裝兩部無人機(jī)用大推力空氣螺旋槳，輔助轉(zhuǎn)向和精準(zhǔn)定位；艙口處設(shè)置小圍板，上船殼扣在圍板外圍，甲板上浪之后可以自動(dòng)形成一個(gè)水密條，防止船艙進(jìn)水。

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)：哈爾濱工業(yè)大學(xué)

● 云臺(tái)結(jié)構(gòu)：云臺(tái)功能的實(shí)現(xiàn)包括兩個(gè)獨(dú)立的動(dòng)作，分別是繞YAW軸的橫向左右擺動(dòng)和繞PITCH軸的縱向上下俯仰。采用兩軸云臺(tái)，由于產(chǎn)品在測(cè)試階段，另只需完成簡(jiǎn)單的動(dòng)作，尚無需大扭力的運(yùn)動(dòng)，因此采用兩個(gè)舵機(jī)代替云臺(tái)電機(jī)足以完成運(yùn)動(dòng)。在完成測(cè)試后，更換扭力更大，控制更為精準(zhǔn)，穩(wěn)定性更強(qiáng)的GM6020電機(jī)。

● 動(dòng)力系統(tǒng)方面：本作品采用后置雙槳推進(jìn)，考慮到水下側(cè)推對(duì)船體強(qiáng)度和阻力的影響，故在船首加裝兩個(gè)空氣螺旋槳側(cè)推來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力定位。

相關(guān)介紹

本款無人船艇作戰(zhàn)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自主航行至目標(biāo)海域，自主識(shí)別目標(biāo)并對(duì)其進(jìn)行追蹤監(jiān)視，應(yīng)用激光武器等對(duì)敵打擊。本項(xiàng)目立足海洋，服務(wù)國(guó)防，應(yīng)用前景十分廣闊?？捎米髅裼媚吧Ｓ蛱綔y(cè)、復(fù)雜海況的作業(yè)；軍用可用作未知入侵船只監(jiān)視，近?；螂S母船遠(yuǎn)洋對(duì)敵打擊、編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)等。無人作戰(zhàn)平臺(tái)在設(shè)計(jì)時(shí)無需考慮人的因素及其相關(guān)的設(shè)備，平臺(tái)的設(shè)計(jì)完全以任務(wù)為中心。不存在人員傷亡或被俘的危險(xiǎn)，是確保戰(zhàn)斗人員傷亡降到最低程度的有效途徑。成本低廉，全壽命費(fèi)用大為減少，隱身性好。能夠?qū)崿F(xiàn)無人駕駛，方式以遙控操作或者自主運(yùn)作，能夠攜帶武器進(jìn)行作戰(zhàn)任務(wù)。其主要功能包括自主定點(diǎn)巡航、目標(biāo)監(jiān)視追蹤、目標(biāo)識(shí)別打擊和終端界面操作。從實(shí)際意義上，能夠進(jìn)行軍用偵查打擊、科研探索和漁業(yè)服務(wù)。

3. 欠驅(qū)動(dòng)無人船的動(dòng)力定位

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)：上海海事大學(xué)

技術(shù)亮點(diǎn)

● DP系統(tǒng)：動(dòng)力系統(tǒng)提供全船設(shè)備工作所需的電能，完成燃料化學(xué)能到電能的轉(zhuǎn)變；推進(jìn)系統(tǒng)則根據(jù)DP控制器給出的轉(zhuǎn)速、螺距等指令，完成電能到力/力矩的轉(zhuǎn)變；作為船舶對(duì)環(huán)境的感知系統(tǒng)，位置參考及傳感器系統(tǒng)完成對(duì)船舶位置和姿態(tài)等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和風(fēng)速、風(fēng)向等環(huán)境參數(shù)的測(cè)量；而作為整個(gè)系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，DP控制系統(tǒng)利用位置參考及傳感器系統(tǒng)所感知到的外界環(huán)境和船舶狀態(tài)信息，根據(jù)系統(tǒng)中設(shè)定的控制功能和控制規(guī)律協(xié)調(diào)指揮推進(jìn)器系統(tǒng)中的各個(gè)推進(jìn)器進(jìn)行工作，從而最終實(shí)現(xiàn)DP功能。

相關(guān)介紹

為使船舶在海洋中保持特定的位置，“錨”是廣為采用的一種簡(jiǎn)便方法。然而，當(dāng)水深超過600米時(shí)錨泊方法的成本和可行性都變得較為復(fù)雜，而且新型無人船都是無“錨”設(shè)計(jì)，急需一種新型的定位設(shè)計(jì)。其次，通常無人船不配置橫向推動(dòng)器，屬欠驅(qū)動(dòng)控制，在低速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下無人船的操縱性能和舵效相對(duì)較差，而靠泊精度要求又高，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)艇的鎮(zhèn)定控制。

4. 基于視覺伺服的無人船自主靠泊

技術(shù)亮點(diǎn)

● 通過攝像機(jī)讀入圖像，然后進(jìn)行泊位標(biāo)志物檢測(cè)，之后進(jìn)行視覺導(dǎo)航，獲得航向偏差角和偏航距離，最后利用PID進(jìn)行路徑控制。

● 標(biāo)志物檢測(cè)環(huán)節(jié)，包括RGB空間轉(zhuǎn)HSV空間，設(shè)置期望顏色閾值，二值化處理并進(jìn)行中值濾波，形態(tài)學(xué)處理消除干擾，獲得標(biāo)志物幾何中心和邊界并在圖像中顯示。

● 視覺導(dǎo)航策略中，自主靠泊類型為泊位外鎮(zhèn)定且選擇距離泊位標(biāo)志物1.5m-2.5m處為靠泊區(qū)域，區(qū)域中心為期望位置，垂直于標(biāo)志物表面的航向?yàn)槠谕较?。控制器的控制變量有航向偏差角和偏航距離，故先計(jì)算這兩部分。

設(shè)計(jì)靈感

大型船舶靠泊依靠拖輪，小型船舶在條件允許時(shí)可進(jìn)行自力操縱靠泊，但70%的靠泊事故與駕駛員在港內(nèi)不良船藝有關(guān)，急需通過精確的自主靠泊規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。通常無人船不配置橫向推動(dòng)器，屬欠驅(qū)動(dòng)控制，在低速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下無人船的操縱性能和舵效相對(duì)較差，而靠泊精度要求又高，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)艇的鎮(zhèn)定控制。僅僅利用衛(wèi)星導(dǎo)航，造成其對(duì)周圍環(huán)境感知能力不足?；诖?，有此設(shè)計(jì)理念。

優(yōu)勝獎(jiǎng)

1. 基于RGB-D相機(jī)和激光雷達(dá)的無人船河道違章建筑檢測(cè)

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)：上海海事大學(xué)

技術(shù)亮點(diǎn)

● leaky ReLU。相比普通ReLU，leaky并不會(huì)讓負(fù)數(shù)直接為0，而是乘以一個(gè)很小的系數(shù)(恒定)，保留負(fù)數(shù)輸出，但衰減負(fù)數(shù)輸出。

● 分而治之。用網(wǎng)格來劃分圖片區(qū)域，每塊區(qū)域獨(dú)立檢測(cè)目標(biāo)端到端訓(xùn)練。損失函數(shù)的反向傳播可以貫穿整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，這也是one-stage檢測(cè)算法的優(yōu)勢(shì)。

實(shí)船試驗(yàn)與測(cè)試

河道違章建筑檢測(cè)：根據(jù)設(shè)置好的航路點(diǎn)，自動(dòng)識(shí)別河道兩邊的違章建筑。

相關(guān)介紹

采用RGB-D加激光雷達(dá)的SLAM形式，主要是克服RGB-D相機(jī)獲得的深度圖像中存在缺失值現(xiàn)象，并期望獲得更豐富的環(huán)境信息。

對(duì)已存在的圖像，進(jìn)行圖像庫(kù)整合，并利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的YOLO-V3進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)違章建筑，并進(jìn)行圖像分類，結(jié)合GPS信息和RGB-D（或雙目立體視覺相機(jī)）相機(jī)的深度信息精確定位違章建筑位置，并利用激光雷達(dá)的點(diǎn)云陣列對(duì)違章建筑物規(guī)模進(jìn)行一個(gè)估算，匯總到指揮中心。由于RGB-D相機(jī)存在圖像缺失值現(xiàn)象，所以要對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，修復(fù)深度圖像。流程圖如左圖所示。

移動(dòng)船載激光雷達(dá)不可避免地存在抖動(dòng)，而且外界光照條件不可能保持恒定不變，加上被測(cè)物體存在鏡面反射或透射而使測(cè)量不準(zhǔn)，所獲得的距離角度信息通常包含了很多噪聲，在使用之前要采用中值濾波對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2. 機(jī)器河長(zhǎng)

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)：上海海事大學(xué)

技術(shù)亮點(diǎn)

● 通過模塊實(shí)現(xiàn)圖像采集部分，包括河岸違章建筑和水面漂浮物檢測(cè)。通訊部分，包括數(shù)據(jù)傳輸和圖像傳輸。水質(zhì)檢測(cè)部分，包括實(shí)時(shí)采樣水體含氧量、濁度、PH值，根據(jù)指揮中心的要求，可對(duì)目標(biāo)區(qū)域水體進(jìn)行連續(xù)采樣。

● 機(jī)器河長(zhǎng)搭建了云服務(wù)的信息化平臺(tái)。搭建思路如下：一是機(jī)器河長(zhǎng)按規(guī)定計(jì)劃進(jìn)行巡航。二是對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)河道上發(fā)生的問題和生態(tài)環(huán)境破壞行為，包括：疑似污染源、黑排污口、違法違章行為。三是指揮中心處理數(shù)據(jù)。四是及時(shí)給出原因分析和處理建議，作為管理者進(jìn)行決策依據(jù)。五是告別單兵作戰(zhàn)，走向協(xié)同治理，根據(jù)云服務(wù)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，各部門協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)治理河道。

設(shè)計(jì)理念

設(shè)計(jì)機(jī)器河長(zhǎng)源于上海兩萬余條河道縱橫交織，且河道狹窄難進(jìn)入，兩萬余條河道中90%為鄉(xiāng)級(jí)管理河道，為水域治理法外之地，河道狹窄，巡航船只難以進(jìn)入。人工效率較低，效率不高、應(yīng)付式巡河問題，存在疏忽與遺漏。協(xié)同治理難操作，河道管理局，綠林局，環(huán)保局，城管部門都需要對(duì)河道進(jìn)行監(jiān)控管理，工作區(qū)域會(huì)有重合部分，跨部門的工作難以展開。巡航強(qiáng)度大，違章建筑較多，排污區(qū)域密集。與人工河長(zhǎng)相比，機(jī)器河長(zhǎng)具有體積小，想去哪就去哪、巡航速度快、搭載4G通訊模塊和采集數(shù)據(jù)種類豐富準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)。