無人艇的研究現狀與進展

申云磊，高霄鵬

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無人艇的研究現狀與進展

申云磊，高霄鵬

（海軍工程大學艦船與海洋學院，武漢 430033）

隨著無人技術在海洋平臺上的運用，無人艇展現出了巨大的應用前景。本文介紹了國內外無人艇研發進展情況，總結了目前無人艇的艇型、動力、材料、控制、運用特點，指出了無人艇開發過程中的關鍵理論與技術難點，為下一步更加深入地研究提供參考。

無人艇 研究現狀 技術難點

0 引言

海洋空間包括水中與水面，智能運載器包括智能水面無人艇、智能水下機器人以及無人水下機器人[1]。其中，無人艇即無人操作的水面艦艇，是將傳統船舶技術與無人技術相結合的新產物，具有無人自主、機動性強、隱身性能好、成本較低等特點，不論是在軍用還是民用領域都有著極大的應用潛力，受到人們的廣泛關注。在我國全面加快海洋強國建設的進程中，無人艇技術的發展對于維護我國海洋權益，促進海洋經濟的發展具有非常重要的意義。

1 國內外研究進展

1.1 國外研究進展

從上世紀末起，世界發達國家海軍開始普遍關注海上智能水面無人艇，其主要使命是保護部隊免受非對稱威脅的攻擊，通過網絡化的情報收集、監視和偵察（ISR），增強戰場空間預警能力,爭奪信息優勢，以集群方式對重點目標進行精確打擊等。隨著海洋主權觀念的不斷深化，世界各大海洋強國都將無人艇作為重要的研究方向[2]。美國和以色列在這一領域處于領先地位。

海上無人平臺的開發一直是美國海軍近年來關注的重點，早在2001年美國海軍研究辦公室提出瀕海戰斗艦的概念時，就明確提出水面無人高速艇。在2007年美國海軍發布了《海軍無人水面艇主計劃》，該計劃從滿足美國海軍戰略計劃、艦隊發展以及國防部到2020年部隊轉型的需求等方面，詳細介紹了美國海軍未來無人艇水面艦艇的發展計劃。早期較為典型的美軍海上無人平臺有90年代末開發的“OWL MK II”型無人艇。該艇初次亮相在波斯灣的軍事行動中，裝備有聲納和攝像頭，實現了水上水下的多方位偵查。而在2003年的先進能力技術演示（ACTD）中，由美國、法國、新加坡聯合開發的“斯巴達人”號海上無人艇在這次演習中首次實現了無人艇與艦艇編隊的聯合演練，演練中該艇成熟地完成了多項ISR項目演示，此后該艇在波斯灣的軍事行動中也有亮相。2008年，首艘艦載海上無人平臺正式交付美國海軍，列裝于瀕海戰斗艦（LCS）。這是一艘M型滑行艇，全長11米，最大載重達到2.3噸，設計最大航速為35節，可持續航行一晝夜。同年，美國5G海上系統公司公布了其開發的兩艘新型海上無人平臺 “攔截者”和“日蝕”號，前者在最大航速上突破性的達到了45節，而后者則首次采用了太陽能電池作為能源，在續航能力上實現了突破。同時，為了完善航母編隊的水下密集防線，美國在無人艇水下搜潛方面也作了大量工作，并于2011年提出了反潛持續跟蹤無人艇（ACTUV），首次提出了半潛式反潛無人艇的概念設計。此后該方案經改良，將原來的單體艇改型為三體船，以達到提升操縱性的目的。首艘試驗船已于2016年4月正式下水試航。該船型總長40米，設計排水量為140噸，續航力達到4.27萬公里，航速最大可達27節，在5級海況以下可連續工作3個月。2014年8月在弗吉尼亞州尤斯蒂斯堡附近詹姆士河舉行的一次演習中，美國海軍對13艘無人水面巡邏艇（其中5艘采用自動控制，8艘采用遠程遙控）進行了“蜂群”作戰測試。試驗中，美國海軍利用這13艘無人艇為一個重要目標護航，途中利用無人艇群的傳感器網絡發現了模擬的敵方船只，艇群隨即做出反應，包圍和攔截敵方船只，有效阻止威脅，測試中武器的射擊權仍掌握在控制人員手里。

2008年以色列海軍將艾爾比特公司研發的“銀槍魚”無人水面艇引入其水面作戰系統，該艇長約12米，艇殼采用復合材料，最高航速45節，續航力500千米。配合上此前已經裝備了的“黃貂魚”和“保護者”型無人艇，其水上無人偵查體系初步成型。新加波海軍于2005年引進了以色列所研制的“保護者”型無人艇，“保護者”無人艇配有整套的作戰控制系統，確保該型艇遂行多種多樣化海上任務。德國研究者在90年代末就開始了無人艇的研究，開發了MSSV III型多用途無人艇，可根據任務需要裝載任務模塊，實現水面偵察和巡邏等任務。2009年，法國開展“旗魚”無人艇研制項目，該項目是法國海軍未來反水雷項目計劃的一部分，旨在利用機器人技術提升反水雷作戰能力。“旗魚”無人艇的演示艇于2011年下水，該艇長17米，排水量25噸。除上述國家外，還有許多國家也都積極開展無人艇相關技術的研究，開發自己的無人艇，比如英國的“FENRIR”、“MAST”無人艇，日本“UMV-H”、“OT-91”無人高速軍用艇，俄羅斯的“探索者”無人艇等。

1.2 國內研究進展

我國對于無人艇技術的研究工作開展的相對較晚，自21世紀初，我國才開始廣泛進行相關的關鍵技術的攻關，尤其是在智能控制、遙感探測等領域形成了具備多項自主知識產權的成果。如基于無線網絡，通過岸邊基站和USV載體進行控制的上海海事大學開發的“銀蛙”號雙體無人小艇，該艇可進行多項檢測任務，包括近岸巡邏、水體采樣、水文測量、搜救打撈等。青島奧帆賽上，我國首次采用“天象1號”USV進行氣象資料采集及檢測，該艇由中國航天科工集團研制，船體使用碳纖維材料，同時具備智能駕控、定位、搜索和成像等實用功能。珠海云洲公司開發的“領航者”號無人艇，其推進系統采用油電混合動力，最高可提供30節航速，能在1000公里范圍內通過GPS或者北斗系統實現高精度定位自主航行、自主作業和自動避障，在近岸水下地貌測繪、海洋調查、島礁安防等領域得到了成功運用。在2018年的春晚上，由該公司所設計的80余條小型無人船同時協同運行，列隊成海上的“離弦之箭”穿過港珠澳大橋，實現了大規模的小型無人船編隊航行。在2017年上海國際海事展上，哈爾濱工程大學展示了自主開發的“天行一號”智能無人艇，該艇采用深V艇型，油電混合動力（柴油機+噴水推進/表面槳），最大航速達到80節，推進系統使用靜音螺旋槳，隱蔽型好，生存能力強。

2 基本特點

2.1 艇型特點

這些海上無人艇在船型方面沒有明顯的限制，常規船型和特殊船型均有涉及，但整體上對于小型無人艇，大都采用高性能艇型，擁有較高水平的航海性能，目前運用最為廣泛的艇型包括滑行艇、小水線面船，三體船等：滑行艇的特點是在高速情況下依靠水動升力滑行，在靜水中擁有優異的快速性，但滑行艇對于重心位置敏感，容易產生海豚運動，在波浪中也存在較為嚴重的砰擊問題[3]；小水線面船的設計思路是將大部分排水體積移至水線面深處，減小設計水線面積以減小引起船體運動的波浪擾動力矩，因而小水線面船可以在惡劣海況下航行，但存在低速阻力大，對載重量的限制要求高等問題[4]；三體船充分利用片體之間的興波干擾特性，最大程度的減小總阻力，且穩性好，但船體尺度大，多用于大型船舶，比如美軍正在研發的持續反潛無人艇。這些艇型在不同的工作環境下各有優缺點，但無法同時具備高速、低功率、消波、適航性好、高穩定性和經濟效益好的優點。

2.2 動力特點

由于柴油機的可靠性好，油料熱效率高，因而應用比較廣泛。考慮到無人艇執行巡邏、反潛跟蹤等任務對續航力的要求，美海軍還在研究通過轉化太陽能、海浪能量等方式為無人艇提供持續不斷的能源供給。推進器方式多采用舷外機（螺旋槳）和噴水推進等。其中，螺旋槳結構簡單、重量輕、效率高，在水線以下而受到保護；噴水推進具有優異的操縱性和機動性、高航速下的推進效率高等特點，廣泛應用于小型高速無人艇。

2.3 材料特點

無人艇多采用玻璃鋼復合材料，可降低艇體受損程度和減少維修費用。為加固艇體結構和減輕艇重，可以大量使用碳纖維及輕質復合材料取代傳統的鋼材料，艇的邊梁和框架也使用碳纖維材料。

2.4 控制特點

無人艇操控方式分為無人遙控、按既定方案運行、自主運行等方式，在完全自主運行方式下，如果途中遇到障礙物，可通過目標搜索識別系統和處理系統進行避讓航行，對無人艇的智能化程度要求較高，實現也較為復雜。

2.5 應用特點

無人艇大多采用模塊化設計，根據任務的不同，可搭載多種不同功能的模塊，主要用于執行危險以及不適于有人船只執行的任務。一旦配備先進的控制系統、傳感器系統、通信系統和武器系統，可以執行多種戰爭和非戰爭軍事任務，比如，偵查、搜索、探測和排雷；搜救、導航和水文地理勘察；反潛作戰、反特種作戰、以及巡邏、打擊海盜、反恐攻擊等[5]。

3 技術難點

3.1 總體設計技術

高性能復合船型開發與優化技術、水動力預報及測試技術、總體結構形式選型與優化技術、基于模塊化思想的無人艇載體設計和集成技術；在復雜海洋環境下無人艇高速航行的穩定性理論與方法和無人艇的抗傾覆性、浮態自恢復能力研究。

3.2 環境感知技術

環境感知是基于多傳感器綜合探知外部環境信息的一個過程，是無人艇自主航行的關鍵技術之一。無人艇在執行任務的水域航行時受到風浪流的影響較大，需要解決在惡劣海況下，艇體在持續顛簸條件下的水面目標探測和識別技術，這就需要開展在海面環境下障礙識別新理論和新方法研究，比如圖像預處理、濾波、邊緣增強、障礙物檢測以及動態背景和低信噪比條件下的目標檢測方法研究，對多種傳感器獲取信息進行融合處理，完成目標的跟蹤、檢測、識別與軌跡預測。

3.3 自主決策與控制技術

主要內容為復雜海洋環境下無人艇自主決策理論與方法，運動的非線性控制理論與方法。自主決策和自動控制技術的高低體現了無人艇的智能化程度的高低。基于多傳感器信息融合的自主決策是無人艇實現智能化運動控制的關鍵技術。為了提高無人艇的自主能力，航跡規劃是必不可少的關鍵技術之一，基于電子海圖和給定航路約束點情況下，無人艇需要自主規劃出一條符合一定原則和約束條件的最優路徑，采用在線規劃時還需滿足實時性要求，同時還要解決在動態目標威脅下的局部避碰規劃問題。

3.4 武器發射控制技術

無人艇在執行各類軍事任務需要搭載不同的任務模塊，要求無人艇能夠攜載和投送武器[6]。在實際運行中由于復雜海況導致無人艇無法可靠的跟蹤、瞄準目標并實施攻擊。目前的無人艇大多用遙控式武器站，在工作人員的參與下才能正確的打擊目標。

3.5 布放回收技術

能否安全、自動、便捷的回收是影響無人艇高效任務的關鍵。由于艇體自身重量大，海上風浪流情況復雜，在無人艇的布放與回收過程中，很容易造成無人艇和母船的損壞。USV一般通過大型水面艦船平臺進行布放和回收，主要采用吊放和斜槽兩種方式，在低海況、低航速下，這兩種方式具有可行性，但仍然存在效率低、安全性差、人員素質要求高等缺點。在布放回收技術領域，美國的水平最高，發展最快。為解決技術難題，美國海軍開發了助力拖拽吊艙、自動導引鉤錨系統用于輔助人力進行無人艇回收，大大提高了效率和安全系數。美國物理科學公司開發的新型布放回收系統，可使“斯巴達偵察兵”無人艇在母艦速度15~20節航行時實現布放回收。另外美國密歇根州航空公司開發出一套近海戰斗艦充氣式布放回收系統用于解決高航速、高海況下無人艇布放回收難的問題。

4 結語

本文對無人艇的國內外發展現狀進行了簡要闡述，總結了無人艇的特點，分析了無人艇開發過程中的技術難點。隨著人工智能、大數據的發展，無人艇正朝著模塊化、智能化、體系化、標準化等方向發展，其執行任務也呈多樣化趨勢。不論是軍事還是民事運用上，無人艇必將發揮更重要的作用。我國目前無人艇的研究距國外尚有一定的差距，有關部門應該制定相關規劃，積極開展無人艇相關技術的研究，在軍民融合深度發展的大背景下，推進無人艇的實用化進程，實現海洋強國之夢。

[1] 徐玉如, 蘇玉民,龐永杰. 海洋空間智能無人運載器技術發展展望[J]. 中國艦船研究, 2006, 15(3): 2-4.

[2] 萬接喜. 外軍無人水面艇發展現狀與趨勢[J]. 國防科技,2014, 35(5): 91-96.

[3] 董祖舜. 快艇動力學[M]. 武漢: 華中理工大學出版社，1991.

[4] Faltinsen O M. 海上高速船水動力學[M]. 國防工業出版社, 2007.

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

[6] 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(1): 40-44.

Research Status and Progress of Unmanned Surface Vehicle

Shen Yunlei, Gao Xiaopeng

(Academy of Ship and Ocean, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

U674

A

1003-4862（2018）09-0007-04

2018-4-28

申云磊（1994-），男，碩士研究生。研究方向：船舶與工程。Email: chouqinbao163@.com

高宵鵬（1971-），女，副教授。研究方向：艦船流體動力性能。E-mail: xiaopenggao@sina.com