李澤陽，陳泰然，2，*，劉昊然，黃 彪，2，王國玉，2

（1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；2.北京理工大學(xué) 重慶創(chuàng)新中心，重慶 401120）

0 引言

大多數(shù)車輛、船舶和潛航器的單一運(yùn)動模式往往限制了自身的應(yīng)用場景。為了充分利用車輛陸上高速越野、船舶水面破襲突擊、潛航器水下隱蔽擾敵的特性，各國陸續(xù)開展了具備跨域能力的水陸兩棲平臺研究[1]。

水陸兩棲平臺是一種既可以在陸地上行駛穿梭又可以像船一樣在水面泛水浮渡的跨域裝備。由于其卓越的水陸通行能力，可從行進(jìn)中渡海越河而不受橋或船的限制，因此在軍事、救災(zāi)搶險(xiǎn)、海洋環(huán)境探測等領(lǐng)域具有獨(dú)特的價值。然而，由于車輛和船舶設(shè)計(jì)理念的顯著差異，水陸兩棲平臺要同時滿足陸上和水中的行駛需求并非易事。1918年，英國將Mark IX 型坦克加上“駝”式浮箱[2]，研發(fā)了第一款真正意義上的具有水陸兩棲功能的載人坦克。這種裝備利用浮箱的浮力漂浮在水面上，通過驅(qū)動履帶輪劃水前進(jìn)。二戰(zhàn)期間，在大規(guī)模、高頻次的兩棲登陸作戰(zhàn)需求下，各國開展了多種型號的兩棲平臺研究，其中以蘇聯(lián)的T-38、T-40 偵察坦克[3]、英國的A4E3 LE3 水陸坦克[4]、美國的謝爾曼DD 水陸坦克[5]和LVT 系列坦克[6]為突出代表。二戰(zhàn)后，兩棲平臺技術(shù)日益成熟，多國形成了專業(yè)的兩棲裝甲作戰(zhàn)車輛，如美國的遠(yuǎn)征戰(zhàn)斗載具[7]、俄羅斯的“回旋鏢”裝甲運(yùn)兵車[8]和中國的05 式兩棲裝甲車族[9]等。上述兩棲有人平臺如圖1所示。

圖1 世界各國水陸兩棲有人車輛Fig.1 Manned amphibious vehicles around the world

21世紀(jì)以來，無人系統(tǒng)逐步成為新域新質(zhì)作戰(zhàn)力量[10]，推動戰(zhàn)爭形態(tài)和作戰(zhàn)理念在物理域、信息域、認(rèn)知域和社會域產(chǎn)生重大變革，在戰(zhàn)場的偵察、監(jiān)視、打擊、通信、保障等環(huán)節(jié)發(fā)揮著重要作用。水陸兩棲無人平臺作為無人平臺家族的重要組成部分，有望在現(xiàn)代作戰(zhàn)中充當(dāng)著偵察者和先鋒軍的角色，其上搭載的各種傳感器和武器裝備模塊，可代替人員執(zhí)行海上偵察監(jiān)視、目標(biāo)搜索和登島作戰(zhàn)等危險(xiǎn)任務(wù)，在提高作戰(zhàn)效能的同時也降低了作戰(zhàn)人員的傷亡，特別適合于信息化戰(zhàn)爭“非接觸”“非線性”“非對稱”“非正規(guī)”等方面的要求[11]。從國內(nèi)需求來看，為了維護(hù)我國島嶼主權(quán)，保護(hù)海洋資源，確保重要海峽的暢通；同時，也為了維護(hù)我國的海外利益，保障我國能源供應(yīng)安全，研究具有優(yōu)異跨域性能的水陸兩棲無人平臺具有重要意義。

擬根據(jù)推進(jìn)模式將水陸兩棲無人平臺分為3類：輪/履式水陸兩棲無人平臺、復(fù)合式水陸兩棲無人平臺和仿生式水陸兩棲無人平臺，按照分類歸納水陸兩棲無人平臺的典型樣機(jī)及其參數(shù)，梳理制約水陸兩棲無人平臺發(fā)展的水–陸模式切換技術(shù)、通信與導(dǎo)航技術(shù)和能源利用技術(shù)等3 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并對未來水陸兩棲無人平臺的發(fā)展方向提出建議。

1 水陸兩棲無人平臺的應(yīng)用和分類

如圖2所示，水陸兩棲無人平臺由于具備隱蔽性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)和平臺模塊拓展性好和卓越的跨域能力，有望在跨域協(xié)同、水聲組網(wǎng)、載荷投送、水雷探測等軍事領(lǐng)域和城市排澇、應(yīng)急救援、水文勘測等民用領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

圖2 水陸兩棲無人平臺的應(yīng)用領(lǐng)域Fig.2 Application fields of unmanned amphibious vehicles

1.1 軍事領(lǐng)域

水陸兩棲無人平臺在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用前景主要體現(xiàn)在特種作戰(zhàn)、瀕海區(qū)軍事介入等小規(guī)模兩棲作戰(zhàn)。未來兩棲作戰(zhàn)將主要謀求有限目標(biāo)奪占、重心精確打擊、“象征性占領(lǐng)”，甚至“威懾性突襲”來實(shí)現(xiàn)“作戰(zhàn)收益”[12]。水陸兩棲無人平臺由于其特有的跨域隱蔽能力和機(jī)動靈活性，可以擔(dān)負(fù)特種軍事任務(wù)。

美國國防部 2018年發(fā)布的《2017—2042 財(cái)年無人系統(tǒng)綜合路線圖》中提出要發(fā)展“分布式”“多作戰(zhàn)域”“智能化”作戰(zhàn)理念，全面發(fā)展美軍用無人機(jī)、無人潛航器、無人水面艇、無人地面車輛等[13]。然而，在近期的俄烏戰(zhàn)場中，以無人機(jī)為代表的新型無人裝備單機(jī)作戰(zhàn)多，協(xié)同使用少；無人機(jī)與其他兵力兵器聯(lián)合作戰(zhàn)的能力弱[14]。在多平臺、體系化、綜合性的協(xié)同使用尚未成型前，使用單一無人系統(tǒng)水陸兩棲無人平臺來代替無人車與無人艇多種無人系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)，可以有效地降低使用風(fēng)險(xiǎn)和操縱難度。

在近海作戰(zhàn)中，水雷戰(zhàn)是最常見的海上作戰(zhàn)樣式[15]，對爭取海上戰(zhàn)爭的主動權(quán)有著重要作用。美國海軍作戰(zhàn)部長辦公室（OPNAV）于2022年7月宣布了無人感應(yīng)掃雷系統(tǒng)（UISS）達(dá)到初始作戰(zhàn)能力（IOC）[16]。然而這種水面無人艇在淺灘等復(fù)雜環(huán)境下通過性差且運(yùn)輸投放以及回收充電等方面能力不足，作業(yè)成本高昂。而水陸兩棲無人平臺對復(fù)雜海況以及淺灘環(huán)境下錨雷、沉底雷、掩埋雷的探測、定位和識別具有天然優(yōu)勢[17]。平臺通過搭載各種傳感器和武器裝備模塊，代替人員執(zhí)行大范圍探測水雷、獵滅雷等反水雷危險(xiǎn)任務(wù)，在提高作戰(zhàn)效能的同時大幅度降低作戰(zhàn)人員的傷亡[18]。

在搶灘登陸作戰(zhàn)中，作為可攜帶武器進(jìn)行自主作戰(zhàn)的裝備，水陸兩棲無人平臺可以充當(dāng)?shù)谝徊ǖ顷懽鲬?zhàn)武器，在避免人員傷亡的前提下，壓制、摧毀敵軍防御火力點(diǎn)；同時還可以充當(dāng)無人載具將作戰(zhàn)力量從大型兩棲艦艇上，轉(zhuǎn)運(yùn)到灘頭陣地，并提供相應(yīng)的火力支援[19]，水陸兩棲平臺軍事應(yīng)用概念如圖3所示。

圖3 水陸兩棲平臺軍事應(yīng)用概念圖Fig.3 Military application concept of amphibious vehicles

1.2 民用領(lǐng)域

水陸兩棲無人平臺在民用領(lǐng)域也有十分廣闊的應(yīng)用前景。在城市排澇中，主要采用的仍是防洪泵和移動排澇泵車等。而對于這種機(jī)動靈活的新型水陸兩棲機(jī)器人來說，它可以深入城市車庫、地鐵站、隧道、涵洞、城市狹小道路等地快速排澇救援，同時具備音、視頻偵察、水中漏電檢測、災(zāi)區(qū)環(huán)境偵察等功能，有效提高預(yù)警搶險(xiǎn)的機(jī)動性和時效性。

除此之外，隨著近海水域和小型河道湖泊垃圾不斷聚集，這種新型兩棲平臺可以針對城市河道，小型人工水面以及近海海域水面垃圾富集區(qū)域執(zhí)行清掃任務(wù)，結(jié)合清理設(shè)備的無人化，智能化大方向，賦予垃圾清理設(shè)備新的內(nèi)涵。另外，作為一款海洋裝備，兩棲平臺在海洋資源勘探、近海風(fēng)電的裝機(jī)與維修、水下攝影等方面還有著廣泛的應(yīng)用前景[20]。

1.3 水陸兩棲無人平臺的分類

由于車輛和船舶設(shè)計(jì)理念的顯著差異，平臺要同時滿足陸上和水中的行駛需求并非易事。作者對世界各國的樣機(jī)充分調(diào)研后，按照推進(jìn)模式的不同，可以分為輪/履式水陸兩棲無人平臺、復(fù)合式水陸兩棲無人平臺和仿生式水陸兩棲無人平臺3大類，如表1所示。以下將介紹這3 大類水陸兩棲無人平臺的典型樣機(jī)，并對其關(guān)鍵技術(shù)包括水–陸模式切換技術(shù)、通信與導(dǎo)航技術(shù)以及能源利用與載荷技術(shù)展開分析。

表1 水陸兩棲無人平臺分類Table 1 Classification of unmanned amphibious vehicles

表2 水陸兩棲無人平臺典型樣機(jī)的場景/任務(wù)切換方式Table 2 Scenario and task switching modes of typical unmanned amphibious vehicle prototypes

2 水陸兩棲無人平臺的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 輪/履式水陸兩棲無人平臺

水陸兩棲無人平臺的種類繁多，根據(jù)陸地上行進(jìn)裝置的不同，可分為輪式和履帶式2 種。與履帶式平臺相比，輪式平臺的道路機(jī)動能力強(qiáng)，并且速度快、成本低[21]，但不適合搶灘登陸的長時間遠(yuǎn)距離浮渡。而履帶推進(jìn)模式在泥濘、崎嶇的非結(jié)構(gòu)路面上越障能力強(qiáng)、通過性高。輪/履式水陸兩棲無人平臺通常較多是由全地形車輛或無人艇演化而來，可以使用各種模塊化有效載荷執(zhí)行多樣化任務(wù)，技術(shù)發(fā)展較為成熟。俄羅斯[22]、加拿大[23]、德國[24]、英國[26]、西班牙[27]等均開展了相關(guān)的研究，世界各國輪/履式水陸兩棲無人平臺典型樣機(jī)如圖4所示。

圖4 世界各國輪/履式水陸兩棲無人平臺典型樣機(jī)Fig.4 Typical unmanned wheel/crawler-type amphibious vehicle prototypes in the world

2016年，俄羅斯于“ARMY-2016” 軍事和技術(shù)論壇上推出的Vihr 是最早被報(bào)道的兩棲無人裝甲車[22]。Vihr 由 BMP-3 步兵戰(zhàn)車改裝而來，集偵察打擊為一體，可以協(xié)助部隊(duì)進(jìn)行火力支援并代替士兵深入前線，其頂端集成的ABM-BSM30 遙控武器站有一個用于探測地面和空中目標(biāo)的光電綜合體、一門 30 mm 的 2A72 自動火炮、一挺7.62 mm 的 PKTM 機(jī)槍和一門 Kornet-M ATGM，可遠(yuǎn)程遙控攻擊地表和空中的目標(biāo)。

2017年4月，ARGO 公司為加拿大國防研究與發(fā)展部研發(fā)并提供3 輛J8 Atlas XTR 兩棲無人車平臺[23]。J8 Atlas XTR 是一輛電動8 輪兩棲全地形無人車，采用模塊化的設(shè)計(jì)，上部可集成無人機(jī)、紅外探測儀、聲學(xué)運(yùn)動傳感器、輕武器和大口徑發(fā)射器等載荷。模塊化平臺還可容納擔(dān)架、除顫器和繃帶等急救用品，并能在無GPS 信息環(huán)境跟隨駕駛員自主作業(yè)。基于J8 Atlas XTR 平臺，ARGO 公司于今年1月份與美國的Vanguard 公司合作發(fā)布了兩棲無人平臺R8 Integrator，進(jìn)一步提升了平臺的集成度[24]。

2018年6月，萊茵金屬公司（Rheinmetall）推出Mission Master 系列無人地面平臺。該系列分為運(yùn)輸保障、火力支援和戰(zhàn)場救護(hù)3 個版本，可多臺車輛集群作業(yè)，執(zhí)行不同的任務(wù)，包括區(qū)域監(jiān)視、偵察、目標(biāo)位置轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)向提示等。車輛與 Argus士兵系統(tǒng)和 Rheinmetall 指揮和控制軟件聯(lián)網(wǎng)，使得各車之間可以相互通信實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場態(tài)勢感知，并接收網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星遠(yuǎn)程指揮信息，并于2020年 4月交付英國武裝部隊(duì)[25]。

2019年4月，青島無疆技術(shù)有限公司和中船重工武船集團(tuán)模塊公司推出“海蜥蜴”兩棲無人戰(zhàn)車[28]。該車采用4 組可收縮式履帶，2 組噴水推進(jìn)裝置，三體船形結(jié)構(gòu)，海面最高速度50 kn，可按照作戰(zhàn)要求進(jìn)行隱蔽休眠、智能巡航、快速突擊和搶灘登陸，實(shí)現(xiàn)特戰(zhàn)隊(duì)員水上投送、邊防巡邏、近岸警戒、島礁機(jī)場防護(hù)等任務(wù)。

2019年12月，北京理工大學(xué)研制的小型水陸兩棲無人平臺裝備雙噴水推進(jìn)器，4 個輪胎由4 組電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向，可適應(yīng)沙灘、土路等路面，配備九軸陀螺儀和北斗定位儀，實(shí)時監(jiān)測平臺速度、加速度、艏向角、縱傾角、橫傾角、升沉和軌跡等數(shù)據(jù)并發(fā)送至控制端。全平臺除電動推桿外防護(hù)等級為IP68，電動推桿防護(hù)等級為IP67，可保證在水中長期正常工作。

2021年 3月，英國國防部資助 Ultrabeam Hydrographic 公司開發(fā)了一款全自主兩棲偵察測繪車Argonaut[26]。平臺配備聲吶、激光測距儀、多普勒儀和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，可以對水域進(jìn)行3D 實(shí)時測繪并自主規(guī)劃航跡，將信息實(shí)時上傳至移動指揮中心，進(jìn)而為軍隊(duì)提供沼澤、河流、溪流等水域環(huán)境信息。

同年11月，西班牙SASCorp 公司推出Valkyrie兩棲重型無人戰(zhàn)車。Valkyrie 采用柴電混合動力，續(xù)航8 h 以上，可越過0.7 m 的垂直墻，具備態(tài)勢感知能力，根據(jù)載荷不同可分為運(yùn)輸、工程、排爆以及機(jī)槍載荷4 個版本，未來可搭載反坦克導(dǎo)彈發(fā)射器[27]。

2022年2月，北京理工大學(xué)流體機(jī)械工程研究所針對水陸交界復(fù)雜地貌條件下的搜索、偵察、巡邏等任務(wù)需求，完成了“揚(yáng)子鱷”水陸兩棲無人平臺集成設(shè)計(jì)和原理樣機(jī)研制。平臺水陸兩棲運(yùn)動模態(tài)可自由轉(zhuǎn)換，陸地最大行駛速度5 m/s，水面最大航速4 m/s，水下最大航速3 m/s；陸地最大爬坡度不小于30°，可行駛于草叢、礫石、沙灘等復(fù)雜路面，水下最大下潛深不小于10 m；具備擺脫水草纏繞能力；采用視覺圖像識別、光學(xué)定位、聲學(xué)輔助測量等跟蹤定位模式實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的低慢小目標(biāo)跟蹤；運(yùn)動控制采用速度反饋和角度反饋，控制精度不大于3%；可通過機(jī)構(gòu)變形和姿態(tài)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)不同工作場景下的模態(tài)切換，采用多鏈路無線通訊對兩棲平臺進(jìn)行遠(yuǎn)程或自主操控以及數(shù)據(jù)傳輸。

2022年11月，兵器裝備集團(tuán)公司推出新型兩棲無人戰(zhàn)車。新型兩棲無人戰(zhàn)車在研制之初就秉持了“海上為主、陸上其次”的開發(fā)原則，采用4 組三角型履帶，噴水推進(jìn)裝置，船型車首設(shè)計(jì)，作戰(zhàn)任務(wù)以偵察監(jiān)視、情報(bào)收集、引導(dǎo)打擊為主[29]。

以上對近年國際主流的兩棲無人平臺進(jìn)行了簡述，從幾款典型樣機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和作業(yè)環(huán)境可得到以下結(jié)論：

1）從幾款成熟的產(chǎn)品來看，目前大部分兩棲無人平臺采用輪式結(jié)構(gòu)。輪式結(jié)構(gòu)還可分為六輪式和八輪式等。六輪式平臺在平地直行速度上更快，而八輪式平臺機(jī)動性好，因此尤其適合在復(fù)雜水陸環(huán)境下的快速轉(zhuǎn)向避讓等。

2）上述幾款輪式兩棲無人平臺均為排水型結(jié)構(gòu)，水中阻力較大，航速基本在10 km/h 以下；而“海蜥蜴”和“海上蛟龍”戰(zhàn)車采用船型設(shè)計(jì)，有效地減小了阻力。

3）輪式平臺的主要作業(yè)區(qū)間為陸上，水上作業(yè)能力較差，均無水下作業(yè)能力，因此只有Valkyrie和北京理工大學(xué)的輪式平臺配備了噴水推進(jìn)裝置，其余均為劃水推進(jìn)；而我國開發(fā)的履帶式兩棲平臺均以海上作業(yè)為主，因此均配備了高功率密度的推進(jìn)裝置。

4）為了更多的浮力儲備，平臺的兩棲版本相比于同系列的純陸上版本，火力能力和裝甲防護(hù)能力較差，因此主要定位在偵察搜救而非作戰(zhàn)，平臺均配置多型號傳感器。

2.2 復(fù)合式水陸兩棲無人平臺

傳統(tǒng)輪式和履帶式結(jié)構(gòu)平臺在水中的推進(jìn)模式為劃水推進(jìn)、螺旋槳推進(jìn)和噴水推進(jìn)3 類[2]。劃水推進(jìn)利用履帶或輪胎與水的相互作用力控制航行器進(jìn)退，這種方式簡化了機(jī)身結(jié)構(gòu)，但其能量轉(zhuǎn)化效率低、速度慢；螺旋槳推進(jìn)是主流的推進(jìn)工具，但存在噪聲和振動的問題[30]；噴水推進(jìn)操縱性能好，但其機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)仍然比較復(fù)雜，不易簡化[31]。因此，將陸上推進(jìn)的輪式結(jié)構(gòu)與水中推進(jìn)的螺旋槳結(jié)構(gòu)集為一體的新型復(fù)合式兩棲無人平臺逐步成為了研究領(lǐng)域的重點(diǎn)。

1999–2004年，美國國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）贊助加拿大麥吉爾大學(xué)和美國的多所高校聯(lián)合研發(fā)了RHex 系列機(jī)器人。RHex 系列從最初版本的六足陸基機(jī)器人“Research-Rhex”[32]，逐步迭代了具備兩棲功能的Shelly-RHex、Rugged-Rhex 和AQUA 三款機(jī)器人[33]，如圖5所示。

圖5 RHex 系列平臺Fig.5 RHex series vehicles

初版的Research-RHex 每條腿只有 1 個自由度，通過改變驅(qū)動電機(jī)的伺服參數(shù)控制機(jī)器人步態(tài)，可以在灌木叢、鐵軌等地形中穿行。第1 個改進(jìn)版本Shelley-RHex 設(shè)計(jì)了輕量化的碳纖維曲面外殼使得RHex 可以在水面上劃水，成為了一款具備兩棲功能的機(jī)器人。第 2 個改進(jìn)版本 Rugged-RHex 在優(yōu)化了其它性能的同時，新增了10 m 以內(nèi)的潛水功能。2004年，麥吉爾大學(xué)的 GERMAN 教授等人在前者的基礎(chǔ)上推出了第 3 個版本 AQUA。AQUA 可以沿著海岸行走，在開闊水域表面游泳，同時可以在海底潛水并行走，具備水下目標(biāo)檢測、環(huán)境建模與場景重建、自主規(guī)劃路徑等功能。通過6 條單自由度腿，AQUA 可以實(shí)現(xiàn)五自由度運(yùn)動：起伏（heave）、橫搖（roll）、首搖（yaw）、縱搖（pitch）和縱蕩（surge），目前已經(jīng)進(jìn)行了多次水下相關(guān)實(shí)驗(yàn)[34]。

由于這種腿蹼式平臺在水中主要是依靠劃水前進(jìn)，效率比較低，推進(jìn)速度也很慢，在陸地上由于剛度低導(dǎo)致越障能力較弱，因此各國研究員采用了不同的方式改進(jìn)推進(jìn)裝置。

2005年，美國海軍研究所與凱斯西儲大學(xué)將陸基的Whegs 平臺改造成用于淺海激浪區(qū)的兩棲機(jī)器人Whegs Ⅳ[35-36]。與陸基平臺相比，WhegsⅣ升級的輪腿槳裝置在不影響陸上越障能力的基礎(chǔ)上提高了水中的推進(jìn)力，如圖6所示，內(nèi)部還配備了電子設(shè)備和傳感器使其可以在水陸交界處兩棲自主作業(yè)。

圖6 Whegs Ⅳ水陸兩棲機(jī)器人設(shè)計(jì)Fig.6 Design of Whegs IV amphibious robot

2010年，中科院沈陽自動化研究所YU 等人推出了一款輪–螺旋槳–腿一體化的兩棲平臺[37]。該平臺將螺旋槳和方向舵與陸地機(jī)器人的輪子和腿相結(jié)合，組成了2 種運(yùn)動模式，一種是在陸地或海底的爬行運(yùn)動模式，另一種是水中的游泳運(yùn)動模式。這2 種運(yùn)動方式可根據(jù)環(huán)境自動切換，如圖7所示，因此具備很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。

圖7 輪–螺旋槳–腿兩棲機(jī)器人模式切換示意圖Fig.7 Mode switching of the wheel-propeller-leg integrated amphibious robot

2013年，麥吉爾大學(xué)的智能機(jī)器中心在AQUA的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了“Ninja legs”結(jié)構(gòu)[38]?！癗inja legs”是一種由玻璃纖維制成的半圓形機(jī)械腿，將行走腿和游泳鰭很好地結(jié)合，在不影響陸地行進(jìn)的同時保護(hù)腳蹼。實(shí)驗(yàn)測試證明，這種結(jié)構(gòu)在陸上速度、穩(wěn)定性、水中推力均超過了AQUA 平臺。

2015年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)推出AmphiHex-I兩棲平臺[39]，其特點(diǎn)在于它的可變推進(jìn)機(jī)構(gòu)可以從直的鰭狀肢轉(zhuǎn)換為彎曲的腿。通過實(shí)時調(diào)整運(yùn)動步態(tài)，如圖8所示，它可以很好地適應(yīng)濱海地區(qū)的泥質(zhì)和沙地等松軟地形。由于鰭狀肢剛度低靈活度差，該團(tuán)隊(duì)又于2018年推出了AmphiHex-II 兩棲機(jī)器人[40]，將鰭狀肢升級成一種可變剛度扇形腿，進(jìn)一步提升了對環(huán)境的適應(yīng)性。

圖8 AmphiHex-I 兩棲平臺鰭狀肢示意圖Fig.8 Flipper leg of AmphiHex-I amphibious vehicle

2022年，哈爾濱工程大學(xué)的研究人員針對AQUA 游泳能力不足的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種螺旋槳–腿式復(fù)合推進(jìn)機(jī)構(gòu)[41]，如圖9所示。這種機(jī)構(gòu)可以使得SHOALBOT 平臺在水中六自由度運(yùn)動，同時不影響在陸地上的性能，實(shí)現(xiàn)了從二維空間到三維空間的運(yùn)動能力擴(kuò)展，具備了在淺灘兩棲環(huán)境的多模態(tài)運(yùn)動能力。

圖9 SHOALBOT 平臺及其螺旋槳–腿式復(fù)合推進(jìn)機(jī)構(gòu)Fig.9 SHOALBOT amphibious vehicle and its propeller-leg

以上對近年來新型復(fù)合式水陸兩棲無人平臺的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了概述，從已有代表性樣機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和作業(yè)環(huán)境分析可得到以下結(jié)論：

1）新型復(fù)合式推進(jìn)機(jī)構(gòu)可以有效的簡化復(fù)雜度并節(jié)省空間，但是在速度、平穩(wěn)性和效率不如傳統(tǒng)的推進(jìn)裝置；

2）目前樣機(jī)由純足式仿生設(shè)計(jì)逐步演化成輪–螺旋槳、腿–螺旋槳等復(fù)合設(shè)計(jì)，將作業(yè)區(qū)間從水面和海底逐步擴(kuò)展為水中的六自由度立體運(yùn)動，提升了對環(huán)境的適應(yīng)性；

3）水–陸過渡過程和陸–水過渡過程是新型復(fù)合式水陸兩棲無人平臺的2 個關(guān)鍵過程。目前樣機(jī)研究多采用步態(tài)設(shè)計(jì)和形態(tài)切換，如AmphiHex-I切換鰭狀肢為腿并改變步態(tài)，SHOALBOT 調(diào)整螺旋槳-腿的角度等。

2.3 仿生式水陸兩棲無人平臺

仿生式航行器通常模仿自然界中具備兩棲生存能力的生物，具備很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和廣闊的應(yīng)用場景[42]。與輪/履式兩棲平臺相比，它可以潛水，應(yīng)用場景更廣；與復(fù)合式航行器相比，它的推進(jìn)噪音小、效率高。根據(jù)不同的生物特點(diǎn)，許多機(jī)構(gòu)開展了蛇、蠑螈、蝦、蟹、鰩魚等生物原型與航行機(jī)理的研究[43-46]。仿生機(jī)器人的幾款典型樣機(jī)如圖10所示。

圖10 仿生式水陸兩棲平臺的典型樣機(jī)Fig.10 Typical bionic amphibious vehicle prototypes

2001年，日本東京工業(yè)大學(xué)的廣瀨茂夫教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一款HELIX 蛇形機(jī)器人，并于2005年研發(fā)了升級版ACM-R5 兩棲平臺[47]。這款機(jī)器人由8 個關(guān)節(jié)組成，長1.6 m，重量6.5 kg，蛇身周圍安裝有游泳鰭，底部安裝有被動輪，陸地和水中的行進(jìn)速度約為0.4 m/s。廣瀨茂夫教授的研究首次開創(chuàng)了蛇形兩棲機(jī)器人領(lǐng)域，并克服了將蛇形機(jī)器人應(yīng)用于實(shí)踐的技術(shù)難題，為蛇形機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2004–2007年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的IJSPEERT 等人研制了AmphiBot I[48]、AmphiBot II[49]2 款兩棲仿蛇形平臺。他們通過研究機(jī)器人的振幅、頻率和波長與自身速度的關(guān)系改進(jìn)了機(jī)器人的步態(tài)，為機(jī)器人在陌生環(huán)境的實(shí)時最優(yōu)控制打下了基礎(chǔ)，但目前該研究仍停留在樣機(jī)測試階段。

與此同時，IJSPEERT 等人又參考鱷魚、蠑螈、蜥蜴等四足爬行類兩棲生物，提出了一種調(diào)節(jié)這些四足動物的速度、方向和步態(tài)類型的神經(jīng)機(jī)制模型并先后研制了Salamandra Robotica I[50]、Salamandra Robotica II[51]2 款蠑螈平臺樣機(jī)。2015年，他們又提出一款具有27 個自由度的兩棲蠑螈平臺Pleusrobot[52]，深入地研究了蠑螈在水、陸2 種環(huán)境下的步態(tài)特征、神經(jīng)生物學(xué)和數(shù)值模型，驗(yàn)證了這種仿生驅(qū)動方式在水和陸地中都能夠產(chǎn)生良好的推進(jìn)性能。

蝦、蟹等節(jié)肢動物是兩棲仿生平臺的另一個方向。美國東北大學(xué)海洋科學(xué)中心生物系的AYERS 等于2004年開發(fā)了一種基于龍蝦的仿生機(jī)器人。該機(jī)器人安裝了8 個三自由度鎳鈦記憶合金腿，通過中央神經(jīng)控制器改變合金的溫度控制腿部伸縮，進(jìn)而控制機(jī)器人運(yùn)動[53]。2011年，韓國的船舶與海洋工程研究所研制了一種名為 CRABSTER200（CR200）的六足兩鉗仿蟹式海底行走機(jī)器人，可以調(diào)整腿部姿態(tài)減小阻力并實(shí)現(xiàn)海底爬行[54]。這2款平臺驗(yàn)證了節(jié)肢動物仿生驅(qū)動方式的可行性，但均不能游泳。

2017年，美國海軍實(shí)驗(yàn)室（Office of Naval Research）和Pliant Energy Systems 公司合作研制了一款仿鰩魚兩棲平臺Velox[55]。Velox 依靠兩側(cè)靈活的雙曲線“鰭”狀飄帶來驅(qū)動自身前進(jìn)。在水–陸過渡（出水）過程中，Velox 將鰭片旋轉(zhuǎn) 90°呈豎直狀從而支撐自身在冰等固體表面上移動。研究員下一階段的目標(biāo)是系統(tǒng)自行停泊，利用鰭片的起伏借助海流為電池充電。

根據(jù)上述兩棲仿生平臺的發(fā)展概述，可得到以下結(jié)論：

1）仿生水陸兩棲平臺均能在海岸、灘涂等兩棲環(huán)境下行動，有更強(qiáng)的地形適應(yīng)能力如仿蛇和蠑螈式機(jī)器人能深入管道和洞穴進(jìn)行探測；并且這些仿生類機(jī)器人體積小，噪聲低，隱蔽性好，應(yīng)用前景十分廣闊；

2）迄今為止，仿生兩棲平臺通常采用了復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制架構(gòu)，裝載了許多傳感器和控制器等，因此仍停留在實(shí)驗(yàn)室原理樣機(jī)階段，僅在復(fù)雜的室外環(huán)境中進(jìn)行了部分測試。

3 水陸兩棲無人平臺發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)

以上對近些年的水陸兩棲無人平臺進(jìn)行了梳理，根據(jù)推進(jìn)模式的不同，將水陸兩棲無人平臺分為了輪/履式、復(fù)合式和仿生式3 種發(fā)展方向。經(jīng)過對不同發(fā)展方向的代表進(jìn)行梳理，可總結(jié)出水陸兩棲無人平臺發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)為以下幾個方面。

3.1 水陸兩棲無人平臺的水–陸模式切換技術(shù)

作為一種既可以在陸地上行駛穿梭又可以像船一樣在水面泛水浮渡甚至可以像潛艇一樣在水下潛行探測的跨域平臺，在不同介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效的運(yùn)行是最基本的要求。平臺在陸地上行駛時大多是二維的平面運(yùn)動，而在水中航行時，由于水的粘滯阻力遠(yuǎn)超空氣，機(jī)體會產(chǎn)生劇烈的搖晃從而對自身的平衡和控制造成極大的影響。為了適應(yīng)在水中的航行要求，航行器主要采用了變體結(jié)構(gòu)和步態(tài)算法調(diào)整兩種方法實(shí)現(xiàn)水–陸模式的切換。

變體技術(shù)是指根據(jù)不同的任務(wù)和環(huán)境改變航行器的外形以實(shí)現(xiàn)最佳的氣動性能，由于其具有獨(dú)特性質(zhì)，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、土木工程、醫(yī)學(xué)、仿生機(jī)器人等領(lǐng)域[56-59]。在水陸兩棲平臺中，變體結(jié)構(gòu)通常體現(xiàn)為可收縮式履帶、可切換式輪–槳和腿–鰭、仿生撲翼設(shè)計(jì)等?？墒辗攀铰膸ㄟ^收回負(fù)重輪，同時兩側(cè)滑板向外翻轉(zhuǎn)將履帶完全遮蓋在機(jī)體底部，形成一個完整的滑板結(jié)構(gòu)，大大降低水面航行的阻力。采用此種設(shè)計(jì)的“海蜥蜴”無人兩棲戰(zhàn)車的最大航速50 kn，遠(yuǎn)超同類的平均水準(zhǔn)；“揚(yáng)子鱷”水陸兩棲平臺通過調(diào)節(jié)履帶高度，還可以提升陸上越障性能。但可收放式履帶不僅增大了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，往往還影響到了車身的內(nèi)部空間設(shè)計(jì)。為了減少對車身內(nèi)部的影響，一些平臺通過改變推進(jìn)器的形態(tài)實(shí)現(xiàn)任務(wù)和工作場景的切換。如可切換式輪–槳和腿–鰭設(shè)計(jì)是指通過旋轉(zhuǎn)、收放、拉伸等形式改變推進(jìn)器的形態(tài)從而完成水陸環(huán)境的切換。但是這種高頻率、往復(fù)式變換一方面會對推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞，另一方面根部位置承擔(dān)了較大的鎖定和收放力矩，因此降低了使用壽命。仿生撲翼設(shè)計(jì)參考撲翼式鰩魚生物[55]在水中的運(yùn)動，通過仿生水翼的往復(fù)變換產(chǎn)生推進(jìn)力和升力，可以有效地降低水中的行進(jìn)阻力。但魚類對水流的變化感應(yīng)十分靈敏，而仿生撲翼設(shè)計(jì)需要通過傳感器接收信息再經(jīng)過反饋調(diào)整游動狀態(tài)，對傳感控制系統(tǒng)提出了很高的要求[60]。

步態(tài)算法調(diào)整主要是平臺通過改變步態(tài)以適應(yīng)不同的任務(wù)需求。最初的腿型平臺在水中依賴劃水推進(jìn)，效率很低。而步態(tài)算法通過協(xié)調(diào)各足擺動軌跡和機(jī)體運(yùn)動配合可實(shí)現(xiàn)水中的起伏、橫搖等六自由度復(fù)雜仿生運(yùn)動。AQUA 系列腿型機(jī)器人[32-33]和Pleusrobot[52]蠑螈式機(jī)器人可以對足端軌跡進(jìn)行參數(shù)化處理，針對陸地和水域環(huán)境不同需求分別設(shè)計(jì)不同的足端軌跡，實(shí)現(xiàn)了水中的減阻優(yōu)化。CR200 具備多套行走算法，在水底作業(yè)時，可以根據(jù)不同的環(huán)境和任務(wù)自由轉(zhuǎn)換[61]。

3.2 水陸兩棲無人平臺的通信與導(dǎo)航技術(shù)

通信與導(dǎo)航技術(shù)是水陸兩棲平臺的“千里眼”和“順風(fēng)耳”，是決定平臺能否順利到達(dá)指定位置并開展作業(yè)的關(guān)鍵，也是群體智能、跨域協(xié)同、載荷投送等能力的基礎(chǔ)。如表3所示，目前水陸兩棲無人平臺的導(dǎo)航方式按照是否依賴外部設(shè)備可分為非自主導(dǎo)航、自主導(dǎo)航和組合導(dǎo)航3 種。

表3 水陸兩棲平臺的導(dǎo)航分類Table 3 Navigation classification of amphibious vehicles

非自主導(dǎo)航是指用平臺內(nèi)外設(shè)備的協(xié)同工作進(jìn)行的導(dǎo)航，如衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）、超短基線定位系統(tǒng)（Ultra Short Baseline，USBL）等。全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、北斗系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)利用衛(wèi)星與平臺內(nèi)接收機(jī)通信確定自身位置（經(jīng)度、緯度和高度）。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相較于慣性導(dǎo)航而言，結(jié)構(gòu)簡單、覆蓋范圍廣、民用價格低、操作簡便[62]。通過在地圖預(yù)設(shè)航點(diǎn)和軌跡，J8 Altas XTR、Valkyrie 等兩棲平臺可以自主行進(jìn)和返航，維護(hù)成本很低。但是由于衛(wèi)星導(dǎo)航需要借助無線電傳輸信息，因此在高樓、水下等環(huán)境中會受到很強(qiáng)的干擾，產(chǎn)生較大誤差，如輪–螺旋槳–腿式平臺在水下時可以通過壓力傳感器獲取潛水深度，但會失去與水面的通信和GPS 定位信息。超短基線定位系統(tǒng)（Ultra Short Baseline，USBL）是一種不借助無線電而是利用聲波的水下定位技術(shù)。CR200 在水底時，利用聲波與水面應(yīng)答器的相位和時間差獲取坐標(biāo)和深度信息。

自主導(dǎo)航是一種不需要借助外界設(shè)備進(jìn)行的導(dǎo)航。在水下作業(yè)時，平臺可以借助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，INS）和地磁導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行自主導(dǎo)航。給定初始狀態(tài)后，INS 可以利用加速度計(jì)和陀螺儀不斷測量加速度和角速度計(jì)算自身所處位置、姿態(tài)和速度，因此不需要外部的信息參考。Argonaut 平臺的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能夠以200 次/秒的速度進(jìn)行測量計(jì)算，可獲得實(shí)時 3D 導(dǎo)航和數(shù)據(jù)顯示。INS 可以在一定時間內(nèi)保障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，但是隨著時間的積累，會產(chǎn)生較大的誤差[63]。地磁導(dǎo)航作為另一種自主導(dǎo)航方式，通過測定載體所在位置的地磁場特征信息，可確定出自身所在位置。仿龍蝦式平臺中集成了一個磁通門羅盤，可在8 個航向扇區(qū)中提供3 位分辨率。但是由于地磁導(dǎo)航系統(tǒng)容易受到外界地磁場干擾，因此精度較差。

組合導(dǎo)航通常將 2 種或更多的導(dǎo)航技術(shù)相結(jié)合，通過濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合得到當(dāng)前位置，如GPS/INS 組合導(dǎo)航、SLAM/INS 組合導(dǎo)航等。SHOALBOT 采用GPS/INS 組合導(dǎo)航方式，使得導(dǎo)航系統(tǒng)獲得了較強(qiáng)的抗干擾性、更高的數(shù)據(jù)更新率和更好的導(dǎo)航精度，提升了整個系統(tǒng)的性能。SLAM 是一種機(jī)器人在未知空間自主獲取定位和建圖的技術(shù)，通過將不同時間單目或雙目相機(jī)拍攝的圖像變化進(jìn)行比對，可以對自身位置進(jìn)行估算。AQUA 平臺采用SLAM/INS 組合導(dǎo)航，提升了定位精度，解決了攝像頭在水中拍攝的照片對比度低和色彩失真的問題。

水陸兩棲平臺在陸地和淺水區(qū)作業(yè)時，通常采用常規(guī)的無線通信系統(tǒng)，如移動通信系統(tǒng)（1G–5G）、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、Wi-Fi、藍(lán)牙、超寬帶（Ultra-Wide Band，UWB）、廣播系統(tǒng)、軍用數(shù)據(jù)鏈等；平臺在深水中活動時，由于電磁波在水下嚴(yán)重衰減，主要為“有纜+無線”的方式與外界進(jìn)行通信。北京理工大學(xué)“揚(yáng)子鱷”水陸兩棲平臺可利用浮標(biāo)和纜線，實(shí)現(xiàn)平臺在水下作業(yè)時與外界的實(shí)時通信[64]。Velox 在水下進(jìn)行礦物勘探時，采用無線通訊的方式，向水下的無線基站發(fā)送信號經(jīng)光纜傳向水面艦艇[65]，見圖11。

圖11 水陸兩棲平臺不同通信方式Fig.11 Different communication modes of amphibious vehicles

3.3 水陸兩棲無人平臺的能源利用技術(shù)

水陸兩棲無人平臺實(shí)際航行于不規(guī)則海浪和復(fù)雜水陸環(huán)境中，一方面受水陸交界面橫向海流、波浪以及涌流等非線性沖擊影響，另一方面攜帶的多型號傳感器和載荷需要與外界頻繁通信，能源衰減很快。AmphiHex-I 在戶外作業(yè)時，自身的10 A·h電池僅能提供15 min 續(xù)航，而外接纜線又嚴(yán)重限制了平臺性能。因此無人平臺的推進(jìn)、傳動、載荷的功率優(yōu)化匹配與控制等能源利用技術(shù)是重點(diǎn)和難點(diǎn)，見圖12。

圖12 水陸兩棲平臺功率分配圖Fig.12 Power distribution of amphibious vehicles

現(xiàn)有平臺的主要動力源包括燃料和電池。輪/履式平臺多采用柴油機(jī)–電池混合的動力來源，主要有2 方面原因：一是水面可以充分接觸空氣，為柴油等燃料的使用提供了可能性；二是這些航行器多是執(zhí)行軍事和特種任務(wù)，對續(xù)航和動力提出了很高的要求，采用混合動力可以使柴油機(jī)工作在油耗低、航程大的最優(yōu)工況，有利于航行器在野外長時間靜默工作。由于在水下難以接觸到空氣，作業(yè)在水下的航行器幾乎均采用電池驅(qū)動。以輪/履式平臺為例，平臺通常配備了光–電復(fù)合探測裝置、雷達(dá)、攝像頭、聲吶等多型傳感器，同時搭配了無人機(jī)、輕型機(jī)槍、反坦克武器、水面信號中繼裝置等載荷，對能源分配與利用提出了很高的要求，見表4。

表4 輪/履式水陸兩棲平臺動力源、推進(jìn)模式和載荷Table 4 Power sources，propulsion modes and loads of wheel/crawler-type amphibious vehicles

4 結(jié)束語

水陸兩棲無人平臺在軍事方面作為一種新域新質(zhì)作戰(zhàn)力量，具有隱蔽性、零傷亡、空間廣等諸多優(yōu)點(diǎn)，在未來戰(zhàn)場中將肩負(fù)著越來越重要的任務(wù)；在民用領(lǐng)域也將隨著近?？睖y、應(yīng)急救援等各種新型垂直應(yīng)用場景的挖掘而不斷更新?lián)Q代，必將迎來更廣闊的空間。

本文從水陸兩棲平臺的歷史發(fā)展著手，對兩棲平臺從載人到無人的發(fā)展進(jìn)行了詳細(xì)介紹，根據(jù)推進(jìn)模式的不同將現(xiàn)有水陸兩棲無人平臺分為輪/履式水陸兩棲無人平臺、復(fù)合式水陸兩棲無人平臺和仿生式水陸兩棲無人平臺3 類，按照時間的發(fā)展順序選取國內(nèi)外無人航行器的典型樣機(jī)進(jìn)行介紹，并詳細(xì)地討論了制約水陸兩棲無人平臺發(fā)展的水–陸模式切換技術(shù)、通信與導(dǎo)航技術(shù)、能源利用與載荷技術(shù)3 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

對于水–陸模式切換技術(shù)，可收放式履帶、可切換式輪–槳及腿–鰭和仿生撲翼等變體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以提升環(huán)境適應(yīng)力，但需考慮機(jī)構(gòu)的疲勞損傷和使用壽命，同時需要為機(jī)構(gòu)的往復(fù)式運(yùn)動預(yù)留冗余空間；而調(diào)整步態(tài)算法不需要設(shè)計(jì)額外的機(jī)械結(jié)構(gòu)，但平臺的水中航行速度、陸上越障能力等多方面性能表現(xiàn)仍有較大的提升空間。因此如何采用兼容性好的變體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)步態(tài)算法是需要重點(diǎn)考慮的發(fā)展方向；對于通信與導(dǎo)航技術(shù)，鑒于目前水下無線通信技術(shù)仍不成熟，建議平臺采用水中有纜和陸上無線的通信設(shè)計(jì)方案，同時建立新型抗干擾能力強(qiáng)、精度高的組合通信機(jī)制，如基于磁感應(yīng)的跨介質(zhì)通信技術(shù)[66]和基于信號處理的水下無線光通信技術(shù)[67]。對于能源利用技術(shù)，從供能端考慮，平臺采用燃料作為動力源可提供穩(wěn)定、成熟、長時的供能保障，為加裝多樣化的上裝載荷提供了可能，而采用電池供能簡單高效，有利于平臺的小型化和輕量化設(shè)計(jì)。從節(jié)能端考慮，在不規(guī)則海浪和復(fù)雜水陸環(huán)境中，如何對無人平臺的推進(jìn)、傳動、載荷進(jìn)行功率優(yōu)化匹配是能源利用技術(shù)的關(guān)鍵。