水面高速無人艇自主控制系統研究分析

林劍峰，馬善偉

（1. 海軍駐上海電站輔機廠軍事代表室，上海 201104；2. 上海船用柴油機研究所，上海 201108）

0 引 言

隨著美軍在阿富汗戰場成功地使用捕食者無人機發射海爾法導彈攻擊塔利班的實戰應用，標志著無人控制系統已開始執行打擊任務。水面高速無人艇具有體積小、高速、較好的隱身、智能、無人員傷亡等優點，在軍事方面能夠靈活作戰、部署機動、使用方便、可跟隨戰斗艦船出航執行任務，并可以在危險區域或者不適宜派遣有人艦船的區域獨立自主執行任務， 拓展了海上作戰范圍， 具有良好的費效比。因而越來越多地受到各國海軍的重視。無人艇自主控制是完成各種作業任務的基礎。我國作為海岸線廣闊、維護海權任務眾多的發展中國家，加強無人艇自主控制系統關鍵技術研究，對于保護海上權益具有重要意義。

1 水面高速無人艇自主控制系統內涵

水面高速無人艇自主控制系統是以完成任務為最終目標，通過環境感知手段，進行目標探測與識別，自主進行路徑規劃、自主避碰，自主駕控并采取合理控制策略完成各種任務和作業使命的系統，它的核心內涵是自主性，在接受新任務之前，根據當前態勢，具有智能生物特征隨時自主做出合理決策，而非單純接受外部的遙控指令去完成任務的系統；它是不考慮人的承受性，采用模塊化設計，通過網絡化、集成化模式，實現無人艇自身環境感知、無人艇之間以及與平臺之間的信息搜集、傳輸、處理和綜合應用，自主融合做出合理決策，完成既定任務的無人艇核心控制系統。該系統是無人艇完成偵察、搜索測量、運輸等各種任務的關鍵系統。通常由任務模塊、環境感知模塊、智能控制模塊、通信模塊、自主決策模塊、推進與駕控模塊等組成。

2 國內外研究現狀及發展趨勢

2.1 國內外研究現狀

水面無人艇的發展可追溯到第二次世界大戰，初始的目的是設計成魚雷形狀在沿海區域進行排雷或清障。在第二次海灣戰爭中，無人艇成功地完成任務，以美國為代表的西方國家已將其列為重要的發展方向，其他國家海軍也高度關注該技術領域的進展和動態。

美國在發展無人艇上占領先地位，2001年美國海軍正式提出建造瀕海戰斗艦概念，明確提出了水面高速無人艇。2003年美國又先后開發“幽靈衛士”、“水虎魚”和“斯巴達”等無人艇，2007年，美國海軍發布了“無人艇主計劃”[1～3]， 規劃了未來無人艇發展相關的技術投資及進程。同時，以色列、德國、日本、法國及新加坡等國家也開展了關于海上無人作戰平臺的研制，由此可見，隨著未來戰爭對發展無人作戰平臺的需求, 無人艇將成為各國海上無人作戰系統的重要組成部分，并向著智能化、體系化、標準化的方向發展[4,5]。

無人艇在民用方面多用于氣象探測、水文探測等功能相對簡單的領域，2011-11-28美國Liquid Robotics公司打造的“波浪滑翔機”無人駕駛船橫渡太平洋，在開闊水域航行約5.9533萬km，收集并把數據發送給谷歌地球的“海洋展”，開創了無人艇在民用領域的新紀元。

我國無人艇技術的研究尚處于起步階段，很多技術領域與美國等西方發達國家相比存在很大差距。根據已有的報道，主要有海軍某通信修理廠、中國航空科工集團公司沈陽新光公司、哈爾濱工程大學曾從事這方面的研究。沈陽新光公司推出的XG-2概念無人艇能依靠衛星通信，承擔海上反潛任務；無人駕駛海上探測船“天象一號”曾為北京奧運會的青島奧帆賽提供氣象保障服務。哈爾濱工程大學水下智能機器人實驗室在智能水面無人艇的研發上做了一些前期工作，已經完成了“××號”無人艇的設計和實艇建造等工作，并且開展了相關技術研究和海上試驗。

通過對國際上無人艇技術先進國家的研究進展進行分析和對比（見表1）。當今世界無人艇技術盡管取得了一些突破，但尚屬探索階段，其控制多局限于遙控層面，如美國的海上貓頭鷹、幽靈衛士、X持續跟蹤自主艦艇，以色列的保護者等，在自主控制層面，僅是航向控制、航線規劃、自主避碰等，對于自主控制的核心內容如自主決策技術目前尚未納入研究范疇。而要真正實現無人作戰平臺的基本功能，甚或實現多智能體協同作戰，基于任務完成性的無人艇的自主決策能力是根本。2008年美國在機器人自主決策方面做了一些探索性工作，如特種武器觀測偵察探測系統，但由于其自主決策軟件故障導致機器人將槍口對準了人類指揮官，導致該批機器人士兵緊急退出陣地。究其原因是目前尚沒有一套控制自動控制系統出錯的有效措施。自主決策能力的提高依賴于人工智能技術的飛速進步和對無人平臺應用需提前設定嚴格的設計和使用緊箍咒，否則將出現失控狀況。

2.2 發展趨勢

1) 重視提高無人艇控制系統的綜合效能。通過人工智能、信息化等技術的組合應用，在無人艇上加裝多種任務模塊，如監視、數據采集為一體，使無人艇能夠獨立或配合完成各種任務，是未來的一個重要發展趨勢；

2) 以任務為中心設計，重視任務完成性，無人艇自主控制系統向標準化、系列化發展。通過通用化、系列化、模塊化的設計方法，在基本型上進行適應性改進并搭載相應的任務設備，來完成不同的任務，是快速、高效、低風險發展無人艇新型裝備的重要方向；

3) 重視無人艇自主控制系統的網絡化、集成化發展[5]。提高各類無人平臺之間以及與有人平臺之間的信息搜集、傳輸、處理和綜合應用能力，實現現場態勢迅速感知、資源共享以及各種平臺之間的協同，滿足未來的迫切需要。

表1 國際上無人艇技術研究進展對比

3 研究熱點與關鍵技術

3.1 研究熱點

1) 基礎理論?；A理論研究涉及水面高速無人艇自主控制系統設計體系、任務完成性、系統集成技術、模塊化技術、系統容錯控制技術、功能模擬驗證技術以及數據鏈路技術等研究內容；

2) 環境感知。主要進行風、浪、流、溫度、壓力等研究，為無人艇路徑規劃和自主控制提供基礎輸入；惡劣海況下、艇體持續顛簸時水面目標探測及識別理論和技術研究；海洋環境障礙物識別新理論和新方法研究；動態背景和低信噪比條件下的目標檢測方法研究；

3) 任務模塊設計。研究重點集中在任務模塊分解、優化配置及關聯技術研究，如多傳感器信息融合技術的研究以及目標跟蹤理論研究，探索目標跟蹤、軌跡預測、不同海況預測修正的基礎理論和方法，進行動力定位、動態定位跟蹤、跟蹤策略設計等技術的研究；

4) 自主決策。自主控制策略研究（如避障、返回、等待等）；態勢判斷與決策基礎理論及方法；不同通信模式的權限管理技術，無人艇優先、通信控制優先等的確定策略；

5) 推進與駕控。復雜海洋環境下無人艇自主操縱穩性理論及方法；控制參數與控制策略優化技術，航跡控制理論；控制性能分析，并對控制策略進行靜、動態性能驗證。

3.2 關鍵技術

3.2.1 水面高速無人艇自主控制系統容錯控制

該技術關系到水面高速無人艇自主控制功能實現與否，一旦容錯失效，將導致災難性后果。容錯體現在以下幾個方面：控制軟件容錯、控制硬件容錯、控制指令容錯，同時容錯又有一定的限度，容錯與安全性緊密相關。結合任務完成性目標，進行水面高速無人艇自主控制系統容錯控制策略研究。

3.2.2 水面高速無人艇自主決策

水面高速無人艇自主決策能力是實現任務完成性的基石，水面無人艇在實際海洋環境中航行，通過環境感知模塊獲取環境和敵我態勢信息，實時評估任務完成性，模擬智能生物體做出正確決策是完成任務的前提，現有控制系統多借助于人工遙控實現，存在通信信息量大，反應時間長，自身安全性差的缺陷。因此水面高速無人艇自主決策技術是一項必須突破的關鍵技術，。

4 應對策略

針對我國無人艇方面的研究與國外先進水平還存在較大差距的情況，應積極開展無人艇各項關鍵技術的研究，推進無人艇的實用化進程。

1) 加強技術前沿的探索研究，盡快制定無人艇自主控制系統發展規劃；

2) 加強頂層設計，根據信息化戰爭的特點和無人艇的使用要求，制定軍民協同發展、多種裝備協同發展的統一規劃；

3) 制定無人艇標準體系，加強通用化、系列化和模塊化設計，努力實現“互聯、互通、互操作”的目標；

4) 充分發揮國防工業部門和自動化研究機構的主力軍作用，加強基礎理論和關鍵技術的預研及技術儲備。

5 結 語

針對水面高速無人艇自主控制系統的若干問題進行了分析和研究，提出應奮起直追，同步研發，提升我國的綜合競爭實力，加快實現強國之夢。

[1] US DOD, Unmanned systems road map 2007-2032[Z], 2007.

[2] 賈 賓，劉 蕾，劉 斌. 蓬勃發展中的美國海軍無人系統[J]. 現代電子工程，2008(1)：14-20.

[3] 羅納德，歐羅克. 美國海軍無人系統的發展文集[M]，伍其榮. 2007.

[4] 李家良. 水面無人艇發展與應用[J]. 火力與指揮控制，2012, 37(6): 203-207.

[5] 尚燕麗. 海軍發展無人作戰平臺的需求、現狀與展望[J]. 國防技術基礎，2009(1): 40-44.