王涵宇
(哈爾濱工程大學 智能科學與工程學院,黑龍江 哈爾濱 150001)
隨著智能化、一體化、自主化的無人作戰(zhàn)系統(tǒng)技術日益成熟,全球各國海陸空軍事裝備也向著自主無人裝備方向發(fā)展,大型無人機、無人車、無人艇及無人潛航器等無人作戰(zhàn)系統(tǒng)正大規(guī)模參與并較大程度影響著戰(zhàn)爭走向。傳統(tǒng)有人裝備成本相對較高且在沖突演變?yōu)閼?zhàn)爭的過程中人員安全性相對較低,而無人水面艇具有機動性高、隱蔽性好、續(xù)航時間相對較長等特點,可在戰(zhàn)場環(huán)境實施低成本戰(zhàn)場環(huán)境探測、對敵前出部署裝備襲擾、低成本對沖敵高價值裝備等戰(zhàn)術戰(zhàn)法,與高價值有人裝備形成戰(zhàn)術技術互補。因此,無人水面艇將成為未來海上分布式作戰(zhàn)的主流裝備之一[1 – 2]。
無人水面艇是能夠自主航行的無人水上航行器,通過搭載多種傳感器和控制系統(tǒng),可實現(xiàn)導航、避障、控制等功能。在沒有人為干預的情況下完成高風險任務目標,其任務成功關鍵在于導航控制系統(tǒng)的精準程度[3]。在海洋環(huán)境中,無人水面艇需要面對復雜的水流、水深、潮汐、風浪等環(huán)境,同時還需應對其他船只、障礙物等因素,這對導航系統(tǒng)精度提出了更高要求[4]。例如,在海洋救援任務中,利用高精度導航技術無人水面艇可以快速準確前往救援地區(qū),將受困人員轉(zhuǎn)移至安全區(qū)域,同時也可以用于災害現(xiàn)場的應急調(diào)查和救援等[5]。
當前,比較成熟的無人水面艇導航系統(tǒng)包括衛(wèi)星導航系統(tǒng)、慣性導航系統(tǒng)以及組合導航系統(tǒng)。隨著無人水面艇制造技術的提高,其所使用導航技術也將不斷突破和創(chuàng)新,為實現(xiàn)更多的應用場景提供技術保障。本文介紹衛(wèi)星導航。慣性導航系統(tǒng)和組合導航系統(tǒng)的工作原理和特點,闡述這3 種導航系統(tǒng)的優(yōu)缺點,同時展望無人水面艇未來導航技術發(fā)展方向。
衛(wèi)星導航系統(tǒng)可提供全球范圍內(nèi)的高精度定位服務,是無人艇定位和導航的主要依據(jù)。目前常用的衛(wèi)星導航系統(tǒng)包括GPS,GLONASS,Galileo 和BeiDou等[7–8]。通過在無人水面艇上搭載接收器,可實現(xiàn)實時獲取衛(wèi)星信號,并定位艦艇當前位置,從而實現(xiàn)在無人操控情況下導航。
衛(wèi)星導航系統(tǒng)的優(yōu)點主要包括高精度、覆蓋范圍廣、實時性好。高精度主要是因為衛(wèi)星導航系統(tǒng)可提供毫米級別的精度,對于無人水面艇而言,衛(wèi)星導航可保證其在水域中的定位和導航準確性;覆蓋范圍廣則是因為衛(wèi)星導航系統(tǒng)覆蓋全球,對于海洋、水域中的無人水面艇而言,衛(wèi)星導航系統(tǒng)具有重要的應用前景。同時,衛(wèi)星導航實時性好, 并且定位誤差不隨時間積累,能夠及時反饋當前的定位和導航信息。以GPS 導航系統(tǒng)為例,該系統(tǒng)的定位在全球統(tǒng)一的WGS-84 坐標系統(tǒng)中計算,因此全球不同地點的測量成果相互關聯(lián),不同指揮控制中心通過簡單變換便可得到準確坐標信息。
但是其缺點是容易受到天氣、山谷等因素的干擾,也可能在相對密閉水上空間存在信號遮擋的情況,從而導致信號不穩(wěn)定或定位精度下降。衛(wèi)星導航系統(tǒng)實時導航需使用電池供電,耗能較高,因此會對無人水面艇的電力消耗和資源管理造成影響[9]??紤]到無人水面艇主要執(zhí)行簡單高危任務,而衛(wèi)星導航系統(tǒng)定位完整設備成本較高,這會增加無人水面艇的制造和維護成本[10]。
基于慣性導航的無人水面艇導航技術是一種利用慣性導航系統(tǒng)(inertial navigation system, INS)實現(xiàn)無人艇在水面上的定位、導航和控制的技術。其原理是基于加速度計和陀螺儀等慣性傳感器以INS 單元測量無人艇的加速度和角速度,對其進行積分得到無人艇的位置和姿態(tài)信息,從而實現(xiàn)無人艇的自主導航和控制[11]。相對于衛(wèi)星導航系統(tǒng)等導航技術,慣性導航技術具有無需外部信號、不受信號干擾、高更新率、精度高等優(yōu)點,其可通過不斷積分測量加速度和角速度來自主計算出航向、位置和速度等信息[12]。
慣性導航技術不依賴于外部信號源,可在沒有GPS 信號或其他導航設備的情況下獨立工作,作為衛(wèi)星導航信號不穩(wěn)定或丟失時的備用導航系統(tǒng),提高無人水面艇的導航魯棒性和可靠性。同時,在水域復雜環(huán)境下,考慮到水流和波浪等影響因素,慣性導航還可以作為無人水面艇的主要導航系統(tǒng)。通過提供高精度的位置、速度和姿態(tài)信息,實現(xiàn)定位和導航的高精度和高可靠性。通過實時地提供位置、速度和姿態(tài)信息,使得無人水面艇快速響應環(huán)境變化和控制指令,為無人水面艇在不同任務場景下提供可靠導航支持。例如,在海洋勘測任務中,無人水面艇通過慣性導航系統(tǒng)可在海洋中進行水質(zhì)、海底地形等勘測任務,并記錄勘測過程中的位置、角度和速度等信息,以便進行后續(xù)數(shù)據(jù)分析和處理。目前,研發(fā)的無人艇可利用高精度慣性導航系統(tǒng)以及電子羅盤等傳感器設備,實現(xiàn)自動巡航和任務控制功能,已廣泛應用于海洋勘測、海洋環(huán)境監(jiān)測等領域。
但慣性導航也有其缺點,隨著時間的推移,誤差會逐漸增大,導致位置、速度和姿態(tài)信息的精度下降。由于慣性導航技術需使用高精度的慣性導航單元和數(shù)據(jù)處理器,成本較高,增加了無人水面艇的制造成本。此外,慣性導航技術復雜的數(shù)據(jù)處理和算法設計,需要專業(yè)的技術人員進行開發(fā)和維護。同時,慣性導航設備容易受到外部環(huán)境干擾,如震動、溫度變化等,影響其精度和穩(wěn)定性。
組合導航技術是指將多種導航系統(tǒng)集成在一起,通過互補性來提高導航的精度和可靠性。其中, 衛(wèi)星導航系統(tǒng)和慣性導航系統(tǒng)是常用的組合導航系統(tǒng)。衛(wèi)星導航系統(tǒng)可提供全球性的位置信息,但存在信號遮擋、干擾等問題。而慣性導航系統(tǒng)可提供精確的加速度、角速度等信息,但存在漂移問題。具體來說,基于組合導航的無人水面艇導航技術是指通過將多個傳感器數(shù)據(jù)進行融合,從而實現(xiàn)精確且可靠的無人水面艇導航。相比單一傳感器的導航技術,組合導航技術能夠更好地解決單一傳感器系統(tǒng)容易出現(xiàn)的精度不足或者失效等問題?;诮M合導航的無人水面艇導航技術原理是將所使用的傳感器數(shù)據(jù)進行濾波、處理、融合和校正,從而得出準確的位置和姿態(tài)信息。常用的傳感器包括慣性導航單元(IMU)、聲吶、激光雷達、電子羅盤等。其中,衛(wèi)星導航系統(tǒng)主要用于提供位置信息,但在一些特定環(huán)境下,如海洋及山區(qū)等,衛(wèi)星信號可能會受到干擾,從而導致位置誤差增大。IMU 主要用于提供船體的姿態(tài)信息,但是在長時間的運動中,IMU 也容易出現(xiàn)漂移現(xiàn)象。常用的組合導航算法包括擴展卡爾曼濾波(EKF)、無跡卡爾曼濾波(UKF)等。
組合導航技術通過將多個傳感器的數(shù)據(jù)進行融合,能夠克服單一傳感器存在的局限性,提高導航精度和可靠性。同時,利用衛(wèi)星導航系統(tǒng)和慣導系統(tǒng)進行組合導航時,可成功執(zhí)行定位、航跡設計、航跡跟蹤、自主避障等任務,如圖1 所示。通過利用慣導系統(tǒng)、GPS 衛(wèi)星通信系統(tǒng)、相關硬件設備及信息處理單元實現(xiàn)無人水面艇控制。
圖1 無人水面艇控制終端Fig. 1 Unmanned surface craft control terminal
目前無人水面艇組合導航技術還處于發(fā)展階段,存在一些技術問題。如定位精度不夠高、對外界因素(如風浪、漂流等)的容錯性較差等。同時,組合導航需配備較為復雜的設備,成本較高。在遇到復雜環(huán)境和突發(fā)事件時,無人水面艇組合導航技術的適應性和處理能力尚待提高。
無人水面艇主要采用衛(wèi)星定位、慣性導航和組合導航等導航技術。但目前無人水面艇導航技術仍然存在一些問題[13]。例如,衛(wèi)星導航系統(tǒng)在某些情況下無法獲得穩(wěn)定的信號,導致定位不準確;使用傳統(tǒng)的慣性導航系統(tǒng)會受到噪聲干擾和漂移等問題的影響,使得無人艦艇在長時間內(nèi)的導航不夠精確和穩(wěn)定。如圖2所示,在導航系統(tǒng)設計中,主要包括視覺感知增強模塊、障礙物的自主識別模塊以及自主避障模塊,這些模塊受傳感器精度影響較大,因此會對導航精度產(chǎn)生很大影響。
圖2 導航系統(tǒng)設計Fig. 2 Navigation system design
此外,組合導航技術需要攝像頭、傳感器等設備進行輔助,但這些設備在海上環(huán)境中易受到光線、水汽和波浪等因素的影響,導致精度降低。為保證無人水面艇執(zhí)行任務高效性[14],結合目前技術發(fā)展路線,無人水面艇導航技術發(fā)展趨勢可概括為:
1)融合多種導航技術
為解決目前存在的問題,未來無人水面艇導航技術將更加注重融合多種導航技術。結合衛(wèi)星導航、慣性導航、視覺導航等多種導航技術,可以有效提高無人水面艇的導航精度和可靠性。
2)人工智能技術應用
隨著人工智能技術的不斷發(fā)展,在無人水面艇導航技術中也會得到廣泛應用。
對于無人水面艇的自主航行和控制,人工智能可以通過深度學習和規(guī)劃算法等方法實現(xiàn)。例如,使用深度學習技術對海洋環(huán)境進行分析,進而預測海洋的狀態(tài)和未來趨勢,為無人艦艇提供更加準確和及時的導航信息。如圖3 和圖4 所示,通過利用人工智能等相關算法,實現(xiàn)在單目標及多目標障礙物下的自動避障及路徑最優(yōu)化設計。
圖3 單目標避障示意圖Fig. 3 Schematic diagram of single target obstacle avoidance
圖4 多目標避障示意圖Fig. 4 Schematic diagram of multi-objective obstacle avoidance
3)地面控制系統(tǒng)
無人水面艇的地面控制系統(tǒng)是其運行與控制的中樞,也是無人水面艇導航技術發(fā)展的關鍵。在未來,地面控制系統(tǒng)將更加注重實現(xiàn)多船協(xié)同控制和遠程遙控等功能。同時,使用傳感技術、云計算等手段,可以實現(xiàn)對無人水面艇的狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理等操作。
無人水面艇作為新一代可大規(guī)模部署進行海上智能化作業(yè)的工具,在軍事偵察和民用監(jiān)測等方面扮演重要角色。本文主要是針對無人水面艇導航系統(tǒng)展開研究,分別對基于衛(wèi)星導航、慣性導航和組合導航等進行分析和總結。隨著科學技術的快速發(fā)展以及國防裝備的博弈競爭,對無人水面艇導航技術的精度需求越來越高,無人水面艇導航系統(tǒng)也正在向低成本和高精度的方向不斷發(fā)展。同時,重要性難題的攻關與關鍵性技術的突破,也推動了無人水面艇導航系統(tǒng)的發(fā)展。