水陸兩棲無人平臺技術研究進展

李澤陽，陳泰然，2，*，劉昊然，黃 彪，2，王國玉，2

（1.北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081；2.北京理工大學 重慶創新中心，重慶 401120）

0 引言

大多數車輛、船舶和潛航器的單一運動模式往往限制了自身的應用場景。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，可從行進中渡海越河而不受橋或船的限制，因此在軍事、救災搶險、海洋環境探測等領域具有獨特的價值。然而，由于車輛和船舶設計理念的顯著差異，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，通過驅動履帶輪劃水前進。二戰期間，在大規模、高頻次的兩棲登陸作戰需求下，各國開展了多種型號的兩棲平臺研究，其中以蘇聯的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。二戰后，兩棲平臺技術日益成熟，多國形成了專業的兩棲裝甲作戰車輛，如美國的遠征戰斗載具[7]、俄羅斯的“回旋鏢”裝甲運兵車[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世紀以來，無人系統逐步成為新域新質作戰力量[10]，推動戰爭形態和作戰理念在物理域、信息域、認知域和社會域產生重大變革，在戰場的偵察、監視、打擊、通信、保障等環節發揮著重要作用。水陸兩棲無人平臺作為無人平臺家族的重要組成部分，有望在現代作戰中充當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，可代替人員執行海上偵察監視、目標搜索和登島作戰等危險任務，在提高作戰效能的同時也降低了作戰人員的傷亡，特別適合于信息化戰爭“非接觸”“非線性”“非對稱”“非正規”等方面的要求[11]。從國內需求來看，為了維護我國島嶼主權，保護海洋資源，確保重要海峽的暢通；同時，也為了維護我國的海外利益，保障我國能源供應安全，研究具有優異跨域性能的水陸兩棲無人平臺具有重要意義。

擬根據推進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及其參數，梳理制約水陸兩棲無人平臺發展的水–陸模式切換技術、通信與導航技術和能源利用技術等3 項關鍵技術，并對未來水陸兩棲無人平臺的發展方向提出建議。

1 水陸兩棲無人平臺的應用和分類

如圖2所示，水陸兩棲無人平臺由于具備隱蔽性高、環境適應性強和平臺模塊拓展性好和卓越的跨域能力，有望在跨域協同、水聲組網、載荷投送、水雷探測等軍事領域和城市排澇、應急救援、水文勘測等民用領域產生深遠的影響。

圖2 水陸兩棲無人平臺的應用領域Fig.2 Application fields of unmanned amphibious vehicles

1.1 軍事領域

水陸兩棲無人平臺在軍事領域的應用前景主要體現在特種作戰、瀕海區軍事介入等小規模兩棲作戰。未來兩棲作戰將主要謀求有限目標奪占、重心精確打擊、“象征性占領”，甚至“威懾性突襲”來實現“作戰收益”[12]。水陸兩棲無人平臺由于其特有的跨域隱蔽能力和機動靈活性，可以擔負特種軍事任務。

美國國防部 2018年發布的《2017—2042 財年無人系統綜合路線圖》中提出要發展“分布式”“多作戰域”“智能化”作戰理念，全面發展美軍用無人機、無人潛航器、無人水面艇、無人地面車輛等[13]。然而，在近期的俄烏戰場中，以無人機為代表的新型無人裝備單機作戰多，協同使用少；無人機與其他兵力兵器聯合作戰的能力弱[14]。在多平臺、體系化、綜合性的協同使用尚未成型前，使用單一無人系統水陸兩棲無人平臺來代替無人車與無人艇多種無人系統協同作業，可以有效地降低使用風險和操縱難度。

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

在搶灘登陸作戰中，作為可攜帶武器進行自主作戰的裝備，水陸兩棲無人平臺可以充當第一波登陸作戰武器，在避免人員傷亡的前提下，壓制、摧毀敵軍防御火力點；同時還可以充當無人載具將作戰力量從大型兩棲艦艇上，轉運到灘頭陣地，并提供相應的火力支援[19]，水陸兩棲平臺軍事應用概念如圖3所示。

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

1.2 民用領域

水陸兩棲無人平臺在民用領域也有十分廣闊的應用前景。在城市排澇中，主要采用的仍是防洪泵和移動排澇泵車等。而對于這種機動靈活的新型水陸兩棲機器人來說，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、災區環境偵察等功能，有效提高預警搶險的機動性和時效性。

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域執行清掃任務，結合清理設備的無人化，智能化大方向，賦予垃圾清理設備新的內涵。另外，作為一款海洋裝備，兩棲平臺在海洋資源勘探、近海風電的裝機與維修、水下攝影等方面還有著廣泛的應用前景[20]。

1.3 水陸兩棲無人平臺的分類

由于車輛和船舶設計理念的顯著差異，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充分調研后，按照推進模式的不同，可以分為輪/履式水陸兩棲無人平臺、復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，并對其關鍵技術包括水–陸模式切換技術、通信與導航技術以及能源利用與載荷技術展開分析。

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的場景/任務切換方式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外發展現狀

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，根據陸地上行進裝置的不同，可分為輪式和履帶式2 種。與履帶式平臺相比，輪式平臺的道路機動能力強，并且速度快、成本低[21]，但不適合搶灘登陸的長時間遠距離浮渡。而履帶推進模式在泥濘、崎嶇的非結構路面上越障能力強、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行多樣化任務，技術發展較為成熟。俄羅斯[22]、加拿大[23]、德國[24]、英國[26]、西班牙[27]等均開展了相關的研究，世界各國輪/履式水陸兩棲無人平臺典型樣機如圖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” 軍事和技術論壇上推出的Vihr 是最早被報道的兩棲無人裝甲車[22]。Vihr 由 BMP-3 步兵戰車改裝而來，集偵察打擊為一體，可以協助部隊進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的光電綜合體、一門 30 mm 的 2A72 自動火炮、一挺7.62 mm 的 PKTM 機槍和一門 Kornet-M ATGM，可遠程遙控攻擊地表和空中的目標。

2017年4月，ARGO 公司為加拿大國防研究與發展部研發并提供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，采用模塊化的設計，上部可集成無人機、紅外探測儀、聲學運動傳感器、輕武器和大口徑發射器等載荷。模塊化平臺還可容納擔架、除顫器和繃帶等急救用品，并能在無GPS 信息環境跟隨駕駛員自主作業。基于J8 Atlas XTR 平臺，ARGO 公司于今年1月份與美國的Vanguard 公司合作發布了兩棲無人平臺R8 Integrator，進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。該系列分為運輸保障、火力支援和戰場救護3 個版本，可多臺車輛集群作業，執行不同的任務，包括區域監視、偵察、目標位置轉移和轉向提示等。車輛與 Argus士兵系統和 Rheinmetall 指揮和控制軟件聯網，使得各車之間可以相互通信實現戰場態勢感知，并接收網絡、衛星遠程指揮信息，并于2020年 4月交付英國武裝部隊[25]。

2019年4月，青島無疆技術有限公司和中船重工武船集團模塊公司推出“海蜥蜴”兩棲無人戰車[28]。該車采用4 組可收縮式履帶，2 組噴水推進裝置，三體船形結構，海面最高速度50 kn，可按照作戰要求進行隱蔽休眠、智能巡航、快速突擊和搶灘登陸，實現特戰隊員水上投送、邊防巡邏、近岸警戒、島礁機場防護等任務。

2019年12月，北京理工大學研制的小型水陸兩棲無人平臺裝備雙噴水推進器，4 個輪胎由4 組電機獨立驅動實現差速轉向，可適應沙灘、土路等路面，配備九軸陀螺儀和北斗定位儀，實時監測平臺速度、加速度、艏向角、縱傾角、橫傾角、升沉和軌跡等數據并發送至控制端。全平臺除電動推桿外防護等級為IP68，電動推桿防護等級為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、多普勒儀和慣性導航系統，可以對水域進行3D 實時測繪并自主規劃航跡，將信息實時上傳至移動指揮中心，進而為軍隊提供沼澤、河流、溪流等水域環境信息。

同年11月，西班牙SASCorp 公司推出Valkyrie兩棲重型無人戰車。Valkyrie 采用柴電混合動力，續航8 h 以上，可越過0.7 m 的垂直墻，具備態勢感知能力，根據載荷不同可分為運輸、工程、排爆以及機槍載荷4 個版本，未來可搭載反坦克導彈發射器[27]。

2022年2月，北京理工大學流體機械工程研究所針對水陸交界復雜地貌條件下的搜索、偵察、巡邏等任務需求，完成了“揚子鱷”水陸兩棲無人平臺集成設計和原理樣機研制。平臺水陸兩棲運動模態可自由轉換，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、光學定位、聲學輔助測量等跟蹤定位模式實現優異的低慢小目標跟蹤；運動控制采用速度反饋和角度反饋，控制精度不大于3%；可通過機構變形和姿態調節實現不同工作場景下的模態切換，采用多鏈路無線通訊對兩棲平臺進行遠程或自主操控以及數據傳輸。

2022年11月，兵器裝備集團公司推出新型兩棲無人戰車。新型兩棲無人戰車在研制之初就秉持了“海上為主、陸上其次”的開發原則，采用4 組三角型履帶，噴水推進裝置，船型車首設計，作戰任務以偵察監視、情報收集、引導打擊為主[29]。

以上對近年國際主流的兩棲無人平臺進行了簡述，從幾款典型樣機的機械結構和作業環境可得到以下結論：

1）從幾款成熟的產品來看，目前大部分兩棲無人平臺采用輪式結構。輪式結構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，而八輪式平臺機動性好，因此尤其適合在復雜水陸環境下的快速轉向避讓等。

2）上述幾款輪式兩棲無人平臺均為排水型結構，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”戰車采用船型設計，有效地減小了阻力。

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

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能力較差，因此主要定位在偵察搜救而非作戰，平臺均配置多型號傳感器。

2.2 復合式水陸兩棲無人平臺

傳統輪式和履帶式結構平臺在水中的推進模式為劃水推進、螺旋槳推進和噴水推進3 類[2]。劃水推進利用履帶或輪胎與水的相互作用力控制航行器進退，這種方式簡化了機身結構，但其能量轉化效率低、速度慢；螺旋槳推進是主流的推進工具，但存在噪聲和振動的問題[30]；噴水推進操縱性能好，但其機械傳動機構仍然比較復雜，不易簡化[31]。因此，將陸上推進的輪式結構與水中推進的螺旋槳結構集為一體的新型復合式兩棲無人平臺逐步成為了研究領域的重點。

1999–2004年，美國國防高級研究計劃局（DARPA）贊助加拿大麥吉爾大學和美國的多所高校聯合研發了RHex 系列機器人。RHex 系列從最初版本的六足陸基機器人“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，通過改變驅動電機的伺服參數控制機器人步態，可以在灌木叢、鐵軌等地形中穿行。第1 個改進版本Shelley-RHex 設計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器人。第 2 個改進版本 Rugged-RHex 在優化了其它性能的同時，新增了10 m 以內的潛水功能。2004年，麥吉爾大學的 GERMAN 教授等人在前者的基礎上推出了第 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，具備水下目標檢測、環境建模與場景重建、自主規劃路徑等功能。通過6 條單自由度腿，AQUA 可以實現五自由度運動：起伏（heave）、橫搖（roll）、首搖（yaw）、縱搖（pitch）和縱蕩（surge），目前已經進行了多次水下相關實驗[34]。

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

2005年，美國海軍研究所與凱斯西儲大學將陸基的Whegs 平臺改造成用于淺海激浪區的兩棲機器人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上提高了水中的推進力，如圖6所示，內部還配備了電子設備和傳感器使其可以在水陸交界處兩棲自主作業。

圖6 Whegs Ⅳ水陸兩棲機器人設計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器人的輪子和腿相結合，組成了2 種運動模式，一種是在陸地或海底的爬行運動模式，另一種是水中的游泳運動模式。這2 種運動方式可根據環境自動切換，如圖7所示，因此具備很強的環境適應性。

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

2013年，麥吉爾大學的智能機器中心在AQUA的基礎上設計了“Ninja legs”結構[38]。“Ninja legs”是一種由玻璃纖維制成的半圓形機械腿，將行走腿和游泳鰭很好地結合，在不影響陸地行進的同時保護腳蹼。實驗測試證明，這種結構在陸上速度、穩定性、水中推力均超過了AQUA 平臺。

2015年，中國科學技術大學推出AmphiHex-I兩棲平臺[39]，其特點在于它的可變推進機構可以從直的鰭狀肢轉換為彎曲的腿。通過實時調整運動步態，如圖8所示，它可以很好地適應濱海地區的泥質和沙地等松軟地形。由于鰭狀肢剛度低靈活度差，該團隊又于2018年推出了AmphiHex-II 兩棲機器人[40]，將鰭狀肢升級成一種可變剛度扇形腿，進一步提升了對環境的適應性。

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，哈爾濱工程大學的研究人員針對AQUA 游泳能力不足的缺點，設計了一種螺旋槳–腿式復合推進機構[41]，如圖9所示。這種機構可以使得SHOALBOT 平臺在水中六自由度運動，同時不影響在陸地上的性能，實現了從二維空間到三維空間的運動能力擴展，具備了在淺灘兩棲環境的多模態運動能力。

圖9 SHOALBOT 平臺及其螺旋槳–腿式復合推進機構Fig.9 SHOALBOT amphibious vehicle and its propeller-leg

以上對近年來新型復合式水陸兩棲無人平臺的發展現狀進行了概述，從已有代表性樣機的機械結構和作業環境分析可得到以下結論：

1）新型復合式推進機構可以有效的簡化復雜度并節省空間，但是在速度、平穩性和效率不如傳統的推進裝置；

2）目前樣機由純足式仿生設計逐步演化成輪–螺旋槳、腿–螺旋槳等復合設計，將作業區間從水面和海底逐步擴展為水中的六自由度立體運動，提升了對環境的適應性；

3）水–陸過渡過程和陸–水過渡過程是新型復合式水陸兩棲無人平臺的2 個關鍵過程。目前樣機研究多采用步態設計和形態切換，如AmphiHex-I切換鰭狀肢為腿并改變步態，SHOALBOT 調整螺旋槳-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，具備很強的環境適應性和廣闊的應用場景[42]。與輪/履式兩棲平臺相比，它可以潛水，應用場景更廣；與復合式航行器相比，它的推進噪音小、效率高。根據不同的生物特點，許多機構開展了蛇、蠑螈、蝦、蟹、鰩魚等生物原型與航行機理的研究[43-46]。仿生機器人的幾款典型樣機如圖10所示。

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

2001年，日本東京工業大學的廣瀨茂夫教授團隊研發了一款HELIX 蛇形機器人，并于2005年研發了升級版ACM-R5 兩棲平臺[47]。這款機器人由8 個關節組成，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，陸地和水中的行進速度約為0.4 m/s。廣瀨茂夫教授的研究首次開創了蛇形兩棲機器人領域，并克服了將蛇形機器人應用于實踐的技術難題，為蛇形機器人的實際應用打下了堅實的基礎。2004–2007年，瑞士洛桑聯邦理工學院的IJSPEERT 等人研制了AmphiBot I[48]、AmphiBot II[49]2 款兩棲仿蛇形平臺。他們通過研究機器人的振幅、頻率和波長與自身速度的關系改進了機器人的步態，為機器人在陌生環境的實時最優控制打下了基礎，但目前該研究仍停留在樣機測試階段。

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，提出了一種調節這些四足動物的速度、方向和步態類型的神經機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。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 種環境下的步態特征、神經生物學和數值模型，驗證了這種仿生驅動方式在水和陸地中都能夠產生良好的推進性能。

蝦、蟹等節肢動物是兩棲仿生平臺的另一個方向。美國東北大學海洋科學中心生物系的AYERS 等于2004年開發了一種基于龍蝦的仿生機器人。該機器人安裝了8 個三自由度鎳鈦記憶合金腿，通過中央神經控制器改變合金的溫度控制腿部伸縮，進而控制機器人運動[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器人，可以調整腿部姿態減小阻力并實現海底爬行[54]。這2款平臺驗證了節肢動物仿生驅動方式的可行性，但均不能游泳。

2017年，美國海軍實驗室（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 依靠兩側靈活的雙曲線“鰭”狀飄帶來驅動自身前進。在水–陸過渡（出水）過程中，Velox 將鰭片旋轉 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是系統自行停泊，利用鰭片的起伏借助海流為電池充電。

根據上述兩棲仿生平臺的發展概述，可得到以下結論：

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

2）迄今為止，仿生兩棲平臺通常采用了復雜的機械結構和控制架構，裝載了許多傳感器和控制器等，因此仍停留在實驗室原理樣機階段，僅在復雜的室外環境中進行了部分測試。

3 水陸兩棲無人平臺發展的關鍵技術

以上對近些年的水陸兩棲無人平臺進行了梳理，根據推進模式的不同，將水陸兩棲無人平臺分為了輪/履式、復合式和仿生式3 種發展方向。經過對不同發展方向的代表進行梳理，可總結出水陸兩棲無人平臺發展的關鍵技術為以下幾個方面。

3.1 水陸兩棲無人平臺的水–陸模式切換技術

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，在不同介質中實現穩定高效的運行是最基本的要求。平臺在陸地上行駛時大多是二維的平面運動，而在水中航行時，由于水的粘滯阻力遠超空氣，機體會產生劇烈的搖晃從而對自身的平衡和控制造成極大的影響。為了適應在水中的航行要求，航行器主要采用了變體結構和步態算法調整兩種方法實現水–陸模式的切換。

變體技術是指根據不同的任務和環境改變航行器的外形以實現最佳的氣動性能，由于其具有獨特性質，已被廣泛應用于航空航天、土木工程、醫學、仿生機器人等領域[56-59]。在水陸兩棲平臺中，變體結構通常體現為可收縮式履帶、可切換式輪–槳和腿–鰭、仿生撲翼設計等。可收放式履帶通過收回負重輪，同時兩側滑板向外翻轉將履帶完全遮蓋在機體底部，形成一個完整的滑板結構，大大降低水面航行的阻力。采用此種設計的“海蜥蜴”無人兩棲戰車的最大航速50 kn，遠超同類的平均水準；“揚子鱷”水陸兩棲平臺通過調節履帶高度，還可以提升陸上越障性能。但可收放式履帶不僅增大了結構的復雜程度，往往還影響到了車身的內部空間設計。為了減少對車身內部的影響，一些平臺通過改變推進器的形態實現任務和工作場景的切換。如可切換式輪–槳和腿–鰭設計是指通過旋轉、收放、拉伸等形式改變推進器的形態從而完成水陸環境的切換。但是這種高頻率、往復式變換一方面會對推進器的結構產生疲勞，另一方面根部位置承擔了較大的鎖定和收放力矩，因此降低了使用壽命。仿生撲翼設計參考撲翼式鰩魚生物[55]在水中的運動，通過仿生水翼的往復變換產生推進力和升力，可以有效地降低水中的行進阻力。但魚類對水流的變化感應十分靈敏，而仿生撲翼設計需要通過傳感器接收信息再經過反饋調整游動狀態，對傳感控制系統提出了很高的要求[60]。

步態算法調整主要是平臺通過改變步態以適應不同的任務需求。最初的腿型平臺在水中依賴劃水推進，效率很低。而步態算法通過協調各足擺動軌跡和機體運動配合可實現水中的起伏、橫搖等六自由度復雜仿生運動。AQUA 系列腿型機器人[32-33]和Pleusrobot[52]蠑螈式機器人可以對足端軌跡進行參數化處理，針對陸地和水域環境不同需求分別設計不同的足端軌跡，實現了水中的減阻優化。CR200 具備多套行走算法，在水底作業時，可以根據不同的環境和任務自由轉換[61]。

3.2 水陸兩棲無人平臺的通信與導航技術

通信與導航技術是水陸兩棲平臺的“千里眼”和“順風耳”，是決定平臺能否順利到達指定位置并開展作業的關鍵，也是群體智能、跨域協同、載荷投送等能力的基礎。如表3所示，目前水陸兩棲無人平臺的導航方式按照是否依賴外部設備可分為非自主導航、自主導航和組合導航3 種。

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

非自主導航是指用平臺內外設備的協同工作進行的導航，如衛星導航系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）、超短基線定位系統（Ultra Short Baseline，USBL）等。全球定位系統（Global Positioning System，GPS）、北斗系統（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）等衛星導航系統利用衛星與平臺內接收機通信確定自身位置（經度、緯度和高度）。衛星導航系統相較于慣性導航而言，結構簡單、覆蓋范圍廣、民用價格低、操作簡便[62]。通過在地圖預設航點和軌跡，J8 Altas XTR、Valkyrie 等兩棲平臺可以自主行進和返航，維護成本很低。但是由于衛星導航需要借助無線電傳輸信息，因此在高樓、水下等環境中會受到很強的干擾，產生較大誤差，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（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。CR200 在水底時，利用聲波與水面應答器的相位和時間差獲取坐標和深度信息。

自主導航是一種不需要借助外界設備進行的導航。在水下作業時，平臺可以借助慣性導航系統（Inertial Navigation System，INS）和地磁導航系統進行自主導航。給定初始狀態后，INS 可以利用加速度計和陀螺儀不斷測量加速度和角速度計算自身所處位置、姿態和速度，因此不需要外部的信息參考。Argonaut 平臺的慣性導航系統能夠以200 次/秒的速度進行測量計算，可獲得實時 3D 導航和數據顯示。INS 可以在一定時間內保障數據的準確性，但是隨著時間的積累，會產生較大的誤差[63]。地磁導航作為另一種自主導航方式，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 個航向扇區中提供3 位分辨率。但是由于地磁導航系統容易受到外界地磁場干擾，因此精度較差。

組合導航通常將 2 種或更多的導航技術相結合，通過濾波器進行數據融合得到當前位置，如GPS/INS 組合導航、SLAM/INS 組合導航等。SHOALBOT 采用GPS/INS 組合導航方式，使得導航系統獲得了較強的抗干擾性、更高的數據更新率和更好的導航精度，提升了整個系統的性能。SLAM 是一種機器人在未知空間自主獲取定位和建圖的技術，通過將不同時間單目或雙目相機拍攝的圖像變化進行比對，可以對自身位置進行估算。AQUA 平臺采用SLAM/INS 組合導航，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作業時，通常采用常規的無線通信系統，如移動通信系統（1G–5G）、衛星通信系統、Wi-Fi、藍牙、超寬帶（Ultra-Wide Band，UWB）、廣播系統、軍用數據鏈等；平臺在深水中活動時，由于電磁波在水下嚴重衰減，主要為“有纜+無線”的方式與外界進行通信。北京理工大學“揚子鱷”水陸兩棲平臺可利用浮標和纜線，實現平臺在水下作業時與外界的實時通信[64]。Velox 在水下進行礦物勘探時，采用無線通訊的方式，向水下的無線基站發送信號經光纜傳向水面艦艇[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

水陸兩棲無人平臺實際航行于不規則海浪和復雜水陸環境中，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 在戶外作業時，自身的10 A·h電池僅能提供15 min 續航，而外接纜線又嚴重限制了平臺性能。因此無人平臺的推進、傳動、載荷的功率優化匹配與控制等能源利用技術是重點和難點，見圖12。

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

現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–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行軍事和特種任務，對續航和動力提出了很高的要求，采用混合動力可以使柴油機工作在油耗低、航程大的最優工況，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，作業在水下的航行器幾乎均采用電池驅動。以輪/履式平臺為例，平臺通常配備了光–電復合探測裝置、雷達、攝像頭、聲吶等多型傳感器，同時搭配了無人機、輕型機槍、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、推進模式和載荷Table 4 Power sources，propulsion modes and loads of wheel/crawler-type amphibious vehicles

4 結束語

水陸兩棲無人平臺在軍事方面作為一種新域新質作戰力量，具有隱蔽性、零傷亡、空間廣等諸多優點，在未來戰場中將肩負著越來越重要的任務；在民用領域也將隨著近海勘測、應急救援等各種新型垂直應用場景的挖掘而不斷更新換代，必將迎來更廣闊的空間。

本文從水陸兩棲平臺的歷史發展著手，對兩棲平臺從載人到無人的發展進行了詳細介紹，根據推進模式的不同將現有水陸兩棲無人平臺分為輪/履式水陸兩棲無人平臺、復合式水陸兩棲無人平臺和仿生式水陸兩棲無人平臺3 類，按照時間的發展順序選取國內外無人航行器的典型樣機進行介紹，并詳細地討論了制約水陸兩棲無人平臺發展的水–陸模式切換技術、通信與導航技術、能源利用與載荷技術3 項關鍵技術。

對于水–陸模式切換技術，可收放式履帶、可切換式輪–槳及腿–鰭和仿生撲翼等變體結構設計可以提升環境適應力，但需考慮機構的疲勞損傷和使用壽命，同時需要為機構的往復式運動預留冗余空間；而調整步態算法不需要設計額外的機械結構，但平臺的水中航行速度、陸上越障能力等多方面性能表現仍有較大的提升空間。因此如何采用兼容性好的變體結構設計和環境適應性強步態算法是需要重點考慮的發展方向；對于通信與導航技術，鑒于目前水下無線通信技術仍不成熟，建議平臺采用水中有纜和陸上無線的通信設計方案，同時建立新型抗干擾能力強、精度高的組合通信機制，如基于磁感應的跨介質通信技術[66]和基于信號處理的水下無線光通信技術[67]。對于能源利用技術，從供能端考慮，平臺采用燃料作為動力源可提供穩定、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計。從節能端考慮，在不規則海浪和復雜水陸環境中，如何對無人平臺的推進、傳動、載荷進行功率優化匹配是能源利用技術的關鍵。