無人帆船研究進展

馬靖豐

摘 要：本文首先對無人帆船的研究背景、應用領域、各組成部分及其功能進行概述。從三個不同發展階段對國外無人帆船發展情況進行總結：將Colin sause與Mark Neal的早期研究，奧地利INNOC團隊的ASV Roboat研究和當代挪威和芬蘭等無人帆船的關鍵技術進行展開，列出其他國際領先團隊的無人帆船理論及實踐的發展。最后對無人帆船現狀做出總結并提出未來無人帆船發展方向。

關鍵詞：無人帆船;Microtransat;WRSC;ASV Roboat;空氣動力;路徑規劃與避障

中圖分類號：U679 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）12-0085-02

0 引言

無人帆船作為不需要人類干預，利用風能完全自主航行的智能帆船可以完成：海洋表面數據采集、資源開發、災難預警、環境保護、節約運輸成本、監視違法行為、進入危險區域、減少人工駕駛、指導比賽訓練等任務，在上述領域的獨特的優勢使其成為國內外研究的熱點[1]。循跡航行、長短途路徑規劃、避障是安全有效完成任務的核心內容和最終目的;對帆船空氣動力學與水動力學模型進行分析，同時考慮附加阻力與波浪的影響求解出速度預測程序，使帆船沿各個航向所能達到的速度最大化，是完成無人帆船核心內容的基礎。精密高效的的傳感器系統能及時提供風速風向、船舶姿態、帆角位置等多變的信息，是完成帆船最佳操縱和路徑規劃的前提條件;高精度能夠實時顯示的衛星定位系統和可靠的通訊系統是判斷路徑規劃情況和掌握無人帆船實時動態的保障。一艘搭載有效執行機構、獲能儲能和軟硬件設備，兼顧速度和穩定性的無人帆船是進行一切科學研究的載體。自20世紀70年代起，各國對無人帆船開展研究，如今國際領先的無人帆船已經能夠執行海洋數據采集等任務并投入商業化生產。

1 國內外研究進展

早在無人帆船的想法出現之前就出現了利用風向標運動驅動舵轉動的機械式自動舵。經過很長時間的發展，電控式自動舵系統出現并隨著PID控制的出現更加成熟，被應用于帆船執行機構的控制。風向傳感器、陀螺儀和GPS定位系統的配備，為無人帆船執行裝置提供了有效指令，使其能夠不依靠人類干預完全自主航行[2]。

1968年，美國無線電公司就進行了對帶有風帆的無人海上平臺SKAMP（Station Keeping Autonomous Mobile Platform）的研究，相關研究成果一直沒有公開，尚未知能否完全依靠風帆自主航行。1997年斯坦福大學Gabriel Elkaim 公開發表了一個帶GPS導航的雙體翼帆無人帆船Atlantis的研究成果[3]，隨后美國Haibor Wing Technologies公司研制了一艘雙體翼無人帆船，雙體船雖然航行更加平穩但在橫傾狀態沒有回復力矩，因此在復雜海況影響下傾覆無法回正是其最大缺點。21世紀初英國Aberystwyth University的Mark Neal與法國ISAE（Institut Supérieur de l'Aéronautique et de l'Espace）的Yves Briere組織并發起了跨大西洋Microtansat無人帆船比賽，無人帆船研究開始得到廣泛關注。

1.1 Colin sause與Mark Neal早期研究

在2010年第一次跨大西洋Microtransat競賽中英國Aberystwyth University帶來一艘唯一成功參賽的無人帆船Pinta，在比賽中花費49小時完成完全無人航行87公里。為了完善其風帆和船體的結構設計，測試船載設備基本性能，完成預先設定的航線，2004年至2008年Colin sause與Mark Neal前后參與并制造了五艘0.5m至3.5m的無人帆船，測試并提高了不同風況下與轉向動作時船體的穩定性和執行機構的可靠性[4];改進了傳感器系統，處理器控制系統，航行算法系統，通信系統，遠程操縱系統，功率預算與電源智能管理系統等影響船體操縱的各系統的基本性能，是早期無人帆船公開探究過程的代表。

1.2 奧地利INNOC科研團隊ASV Roboat號

奧地利科研團隊INNOC（Austrian Society for Innovative Computer Sciences）自2006年制造的ASV Roboat較具有權威性和代表性，曾在Microtransat2007和2008，2009，2010的WRSC競賽中蟬聯冠軍。在2012年的波羅地海試中，ASV Roboat由德國出發途徑丹麥向南花費27小時完成131.5公里（71海里）的無人航行[5]，并用水聽器記錄了鯨魚的聲音信號，是無人帆船成功用于科研項目的早期嘗試。該船主要包含執行裝置、傳感器、通訊設備、計算機處理系統、能量供應等模塊，和平衡舵、模糊控制、三級通訊系統、多層控制系統、路徑規劃與避障等關鍵技術。

ASV Roboat無人帆船以用于青少年教學的Laerling船型為基礎改裝，60公斤的龍骨保證船體橫傾角度不會超過安全值。船長3.75m，船體總重300kg，在不影響航行的情況下可額外負載50kg。前帆和主帆面積4.5平方米。配備的太陽能電池板，在完全日照條件下提供285W功率，在歐洲當地氣候條件下計算一年中平均輸出功率達到30W。帆舵操控方式得到了極大優化，最初用線性驅動器電動推桿實現舵控制，直至2009年為了降低功耗使用電機驅動，將舵葉的旋轉軸靠近舵的中間位置專門研發了平衡舵系統[6]。前帆帆索和弧形滑軌的自換向設計與主帆的帆索受力點外延的設計保證了雙帆配合和能量損耗最小。此外還配有航行燈、霧笛和排水泵等輔助執行裝置。

1.3 最近研究與進展

無人帆船競賽Microtransat、WRSC（World Robotic Sailing Championship）和SailBot的廣泛開展使這項技術更加成熟。在最近的2018年WRSC競賽中，芬蘭的land University of Applied Sciences研發的船長2.4m重300kg的無人帆船配備了尾翼操縱的翼帆[8]，通過使理論計算和數值仿真得到的翼帆空氣動力學中心與加工制造的翼帆質量中心重合，翼帆尾端裝有用來控制攻角的尾翼執行裝置，減少了正常轉帆執行裝置2/3的能量消耗。這種設計最早被用在Sailrone公司制造的無人帆船上，很大程度上解決了能量負平衡的問題并提高了續航能力。

2018年Microtransat競賽中挪威的SailBuoy團隊的SB Met見圖1，經過79天12小時完成了5354km的航程，是所有參賽隊伍中正確航行距離最遠并首次完成橫跨大西洋的無人帆船，船長2m，重60kg，僅采用了舵執行裝置。配備40W峰值功率的太陽能板和400Wh的鋰電池，GPS和各種海洋數據采集傳感器。采用銥星雙向傳輸數據完成通訊。該船適應能力很強，不僅能在2-20m/s的風速下航行，低電量時各傳感器保持在低功率狀態直到到達指定區域并完成充電是該船最顯著的特征，低能量消耗確保船體能夠在太陽能受限的高緯度挪威附近海域航行數個月，航線信息見圖2。自從2009年以來已經多次完成導航、溫度、鹽度、氧濃度、水質、波浪、冰面邊緣、聲音信號等海洋表面數據采集任務。

除此之外，美國海軍學院USNA的Aboat Time號和Trawler Bait號無人帆船在船尾布置大尺寸機械式風速風向傳感器減少了船體橫搖對相對風向的測量帶來的影響;法國高等科技學院ENSTA Bretagne 團隊的BRAVE號擁有良好的操縱性和控制策略，以優異成績完成2018年WRSC比賽Open級別的項目。來自中國首次參賽的浙江大學的ZMART和上海交通大學的SJTU也取得了不錯的成績。

2 研究現狀總結與未來發展趨勢

從當前無人帆船發展來看，隨著碳纖維材料的引入船體將更加堅固輕便。翼帆的選用更容易模擬計算、節能控制和抵抗復雜的海上環境。執行裝置的設計不僅要求穩定可靠，更要大幅減少能源消耗。傳感器測量的數據能夠有效避開橫搖和磁場等干擾，更準確及時地傳送給主控裝置。多層通訊系統保證人、機和衛星實時穩定傳輸數據。在能源采集與分配管理系統，循跡、路徑規劃與避障的算法中將引入人工智能，通過學習海洋氣候數據庫對航線進行規劃，對執行裝置和傳感器的使用頻率進行優化，能夠在高緯度、弱光照、惡劣風浪流和天氣情況下合理采集并分配能源順利完成任務。當突發情況導致無人帆船失去控制時能夠立刻與岸上基站保持聯系、傳輸位置并保證重要信息不泄漏。最后無人帆船的發展一定會伴隨海洋航行安全、生態環境保護和保障各國合法權益的法律，因此相關研究的路還很長。

參考文獻

[1] Rynne， Patrick & von Ellenrieder， Karl. （2009）. Unmanned Autonomous Sailing： Current Status and Future Role in Sustained Ocean Observations. Marine Technology Society Journal.43.21-30.10.4031/MTSJ.43.1.11.

[2] Stelzer R ， Jafarmadar K . History and Recent Developments in Robotic Sailing[M]// Robotic Sailing.2011.

[3] Elkaim G H. The Atlantis Project： A GPS-Guided Wing-Sailed Autonomous Catamaran[J]. Navigation，2006，53（4）：237-247.

[4] Sauzé C， Neal M. Design considerations for sailing robots performing long term autonomous oceanography[C]//Proceedings of The International Robotic Sailing Conference， 23rd-24th May.2008：21-29.

[5] Stelzer R， Jafarmadar K. The robotic sailing boat asv roboat as a maritime research platform[C]//Proceedings of 22nd international HISWA symposium.2012.

[6] Klinck H， Stelzer R， Jafarmadar K， et al. AAS Endurance： An autonomous acoustic sailboat formarine mammal research[C].2009.

[7] Stelzer R， Dalmau D E. A study on potential energy savings by the use of a balanced rig on a robotic sailing boat[M]//Robotic Sailing 2012. Springer， Berlin， Heidelberg， 2013：87-93.

[8] land University of Applied Sciences.Official Website[EB/OL].https：//sailingrobots.ax.