無人水面艇收放技術發展前景
無人水面艇為無人駕駛水面船舶,由智能控制以達成自主駕駛,艇上配備先進的武器系統、智能感知系統以及通訊系統等。其完成使命后,通常需要回收到搭載平臺上,以補充能源、下載數據、維護保養和重新設置使命。其執行任務適應能力非常強,且相關的研究依然在不斷深入。
一、研究背景與意義
近些年來,海洋環境保護等問題甚囂塵上,而且各軍事大國對于經略海洋亦十分重視。我國應積極探究無人水面艇的相關技術,以推動海洋開發,并保護海洋環境,同時保衛海洋安全。提高收放過程的自動化程度,減少高海況下人為操作不便等不利因素,可為任務成功提供更好的保障,對該技術展開研究分析十分必要。
二、國內外研究現狀
無人水面艇收放技術,是指在將其放置水面和回收到母船的過程,其十分重視快速性、安全性和高效性、可靠性。經對國內外的發展現狀分析,收放形式主要涵括了吊放式及滑道式2種收放型式,西方國家在該技術研究試驗驗證等方面領先于國內。
⒈吊放式收放
吊放式收放型式在有人小艇收放方面已經得到了多年應用,通過適應性改進,用于無人艇的釋放回收操作。根據小艇吊點數量,分為單吊點和雙吊點2種形式。前者的適用范圍為8.5m以下小艇,操作較為簡單且快速,但其對艇體姿態穩定性不易控制,為有效改善這一情況,通常需增加波浪補償、防搖擺裝置以及艇艏艉防旋轉纜;后者在控制方面較為復雜,防旋轉及艏艉翹動性能較好,吊放時需注意雙點間的高度差情況,建議增加防擺機構。雙點吊型式通常用于長度超出8.5m的小艇。如上圖(來自網絡,編者加)。
國外典型企業產品包含德國GlobalDavit公司所予以開發的吊艇架式工作艇收放系統,即為最為典型的回轉式系統,可用于15~36kN無人水面艇;美國的洛克希德-馬丁公司、英國的CALAY公司等歐美海洋裝備生產企業均對無人艇(器)及其收放裝置開展了相關研發工作。
我國的有人小艇吊放系統已經在功能、種類、負載等多方面追趕上國際行列,但無人艇吊放系統起步較晚。目前,國內典型的無人艇吊放系統,有上海大學設計的小型艇塢式回收系統、中船綠洲鎮江船舶輔機有限公司的無人艇收放系統等。前者采用“捕捉籠”概念的微型“艇塢”結構,形成完整的捕捉系統;后者采取“引導+加緊+鎖止”結構配合專用伸縮式起吊裝置,形成無人艇的收放系統。
⒉滑道式收放
滑道式收放技術常見的有:船塢、固定、鉸接、伸縮、縱向傾斜沖排、轉運滑道式等。法國的ECAGROUP公司是以專業的各類機器人技術、自動系統開發技術和仿真技術而聞名,其研發的無人艇帶無人航行器進行自動收放,該技術處于國際領先地位,具有適用高海況,自動化程度高和適配性好等優勢。同時該國研制的OPV90近海巡邏艦,所采用的則為艉部雙滑道式系統。如下圖,縱向傾斜沖排式滑道(來自《廣東造船》,編者加)。
目前,國內的執法船、外貿船上,艉部滑道收放技術的應用較為廣泛,有單滑道和雙滑道之分,且在部分院所中,也具有比較成熟的艉滑道式載人小艇收放技術,及單、雙滑道系統設計能力。為更好應對無人水面艇發展趨勢,可繼續深入研究,開發出更為先進的艉部滑道收放技術。如下圖,運轉式滑道收放系統(來自《廣東造船》,編者加)。
三、后續研究
⒈搭載適配性技術研究
結合國內現有無人艇收放裝置使用需求,現存的有人小艇船只,是重要搭載、改裝適用群體,參考現有收放裝置存放空間、環境、供給配置等特點進行無人艇收放技術研究,契合當下實際應用狀態。以此為基礎,在獲得充足數據、經驗后不斷完善。
吊放式收放裝置,設備組成具有較強的適應性,可根據搭載任務需求的不同,做特定的布置組合。開展適配性研究,提高收放裝置的通用化、模塊化程度。在滑道式收放型式中,為確保無人水面艇回收成功率,對于滑道最低端,其與水線相比,應保持較低水平,但或可致滑道位置與母船底部空間更為接近,會影響到艉部艙室的設備布置。鑒于此,滑道的位置可設置為下翻式艉門結構,并將之視作滑道延伸部位,以對上述問題有效解決。針對于艉滑道式收放,一方面可于不同母船上進行通用型滑道裝置安裝;另一方面還可對其托架結構進行調整,以適應不同規格無人艇的收放要求。
⒉自動捕捉技術
無人艇回收過程中,艇相對母船具有相對運動,勢必會存在一定航速差,若不能及時將其阻攔,則可導致其沖出捕捉機構或滑道的情況,甚至撞擊船體。因此,應予以自動阻攔或捕捉結構設計,以吸收捕捉過程時的動能。吊放式收放技術中,采用捕捉、鎖緊模塊與吊放系統組合的型式。滑道式收放技術中,采用阻尼緩沖牽引及側部托架支撐的組合型式。在釋放無人艇工況下,阻尼緩沖牽引機構可方便解除對無人艇的約束,使其釋放入水中。
為提升高海況下設備操作安全性,捕捉技術應以實現釋放、回收過程的無人化掛、脫鉤為最終目標。由于無人艇沒有乘員,無法通過人工干預進行掛、脫鉤操作。脫鉤可以通過遙控方式解決,難點是掛鉤操作。
由于母船和無人艇均處于水面上,在高海況下,相對運動姿態比較復雜,通過對船舶運動姿態的研究,確定自動捕捉技術的設計方案。收放技術擬通過掛、攀(引導)-夾緊(對中)-固定(鎖緊)的3步驟進行自動捕捉。其中,掛攀的解決方案為在收放裝置的捕捉裝置上設定目標點,通過控制無人艇使安裝在無人艇上的鎖扣機構和捕捉裝置上設定目標點相連接,對中機構類似于機械手,將通過一組對稱的伸縮臂收縮動作,將捕捉裝置和無人艇對中,鎖緊動作是通過桿件的伸縮動作,將無人艇上固定點進行機械式固定,完成整個無人艇的捕捉動作。
⒊高精度回收引導控制技術
在復雜海域情況下,對高精度回收引導控制技術予以應用,可實現持續跟蹤母船的效果,并識別母船、滑道標識等,以智能化躲避障礙物,并對自身位置予以不斷調整,在克服海浪、尾流影響之后,成功駛入滑道,完成回收。
因海況復雜,艇體在這種情況勢必會發生劇烈晃動,且加之雨霧情況,會影響到雷達等傳感器探測精度,因此在回收過程中,可采用多傳感器相融合的辦法,針對高精度回收引導算法展開深入研究,從而使跟蹤過程更為準確和穩定。
四、結語
隨著無人水面艇技術的日趨完善,其運維成本也會降低,各種高性能、新型功能的涌現,有望在救援、運輸、測繪以及勘探等諸多任務場景中予以應用。與此同時,關于無人艇收放技術,國內仍處于初步階段,需不斷深入研究,以追趕與其他先進國家的差距。本文對吊放式、滑道式收放技術進行了分析,并指出后續技術研究發展的方向,對無人水面艇收放技術的發展趨勢予以把握,以深入并有的放矢地開展研究,促進行業進步。
【作者簡介】文/許亮 趙明清,均來自中船綠洲鎮江船舶輔機有限公司;第一作者許亮,男,1982年出生,工程師,研究方向為船用小艇收放裝置和船用起重設備。文章來自《船舶物資與市場》(2021年第7期),參考文獻略,用于學習與交流,版權歸作者及出版社共同擁有,文中圖片均系本平臺加載,由“溪流之海洋人生”編輯與整理。
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