無人自主航行器的案例
技術交流▏基于無人自主航行器的智能水下多參數移動監測平臺
針對上述問題，本文提出采用移動性靈活的水下無人自主航行器完成水域監測任務。因此，本文提出面向水域生態環境監測的基于無人自主航行器的智能水下多參數移動監測平臺。
該平臺基于輕型免維護AUV載體，通過搭載水下多參數傳感器及水下側掃聲吶，獲取水質參數及水底的地形地貌信息；基于穩健水聲通信技術實現水下多參數傳感器的實時回傳，實現水質信息的原位監測；通過提出的智能水下平臺控制算法，本平臺可實現航跡自主規劃，提高了監測任務的靈活性。
二、系統設計
⒈系統總體設計
本系統采用輕型免維護AUV平臺搭載聲通信機、水質傳感器與側掃聲吶的水下探測系統，可實現水下采集傳感器數據的實時回傳，總體系統分為水下航行器、操控終端和保障系統三部分。AUV航行器平臺搭載聲通信機與側掃聲吶的實施方案如圖1所示，搭載后的平臺除原平臺的頭段、控制段、接口段和尾端外，在頭段與控制段之間針對聲通信機和側掃聲吶的搭載需求分別設計聲通信機搭載段。側掃聲吶安裝于側掃聲吶搭載段的雙側“肋部”位置，段內安裝相應聲學設備的電子處理板。該平臺采用模塊化設計，擴展性強，可搭載多種聲吶設備，完成水文參量數據采集、水底地形地貌勘察以及相關的作業任務。
AUV總體結構采用封閉耐壓結構形式，分段形式構成，各艙段按功能模塊化要求進行設計，各段功能相對獨立，各艙段采用了統一的連接結構和密封形式進行設計，可增添附加的功能段。AUV平臺直徑180mm，總長1975mm，排水量約50kg。
展開 自主航行=無人船……嗎？
IFSMA-ITF聯合文件指出，需要明確這類船舶的定義是什么，機器人操縱的自主航行船舶和人類操縱的裝有自動化設備的船舶是完全不同的兩個概念。
有人提出，操作人員在陸地上使用各種傳感器控制船舶，可以獲得相同的態勢感知和安全感。
聯合文件強調，這些問題遠遠超出了船舶主機推進器、輔機、燃料、潤滑油和冷卻系統的范圍。“預計在沒有船員維護的情況下，這些設備的工作時間將會延長。”
有人提出，在某一個國家的沿海水域中運行的小型無人艇的技術不能簡單地復制到大型遠洋船舶上。盡管有來自制造商急切尋求訂單的壓力，但船東還是應該謹慎行事。“在不知道該調整什么之前，我們不應該急于調整。”
也有專業人士提出，與其在自主航行的無人操縱研究中耗費心力，不如在現階段更加關注自動化在提高效率方面的作用，比如減少排放和污染、加強事故預防和安全保護。這會更有意義，且預計不會阻止科學家去研究無人駕駛船舶。
“自主航行”不等于“無人船”
關于自主航行技術的爭論已經開始。最新的研究表明，“自主”意味著“不同數量的人員配備”。
圍繞自主航行船舶的宣傳已經被夸大了，因為故障隨時需要經驗豐富的船員去處理。自主航行并不意味著無人操縱。
5年前， “自主”的概念逐漸清晰，成為所有航運問題的答案：在需要連接的碼頭之間，將不需要任何船員來監督這些船舶，操作控制人員只需使用全息圖來維護推進或泵送系統。
船上將不會有居住區，因為船上不再需要船員，騰出來的空間裝滿了貨物。
當時的最大爭論是，在岸技術人員在沒有海上生活經驗的情況下，如何能像玩計算機游戲一樣遠程控制船舶？
展開 自主水下航行器 (AUV) | 近實時仿真與控制助力實現水下機動航行
同空中航行器一樣，自主水下航行器(AUV) 更適用于對大型載人航行器來說太危險或根本無法嘗試的許多應用領域。
例如，北極探索、水下建橋與管道檢查，以及水產養殖自動化，這些應用通常需要 AUV 行駛一段距離才能到達目標位置。航行器一旦到達目標位置，可能就需要執行敏捷操縱（即水下機動航行），以采集圖像、視頻和其他重要數據。
受諸多因素的影響，開發這些 AUV 的控制算法錯綜復雜。其中，最嚴峻的挑戰是無線電信號在水中會發生衰減，這使得 AUV 在深海遠程作業時無法可靠地接收 GPS 或通迅信號。由于缺乏這種通信，AUV的自主作業能力就顯得愈加重要。
瑞典皇家理工學院的團隊研究了控制策略，通過最大限度地降低能耗，使AUV 完成時間更長、更復雜的任務成為了可能。
借助 MATLAB? 和 Simulink?，使用基于模型的設計，對開發的控制算法進行了仿真、優化與實現。這種方法可以先通過仿真快速開發和評估算法，然后在機動航行的 AUV SAM（圖 1）上，對這些算法進行現場測試，從而加快研究步伐。
圖 1. SAM AUV（上圖）和三維表示（下圖）。SAM是由瑞典皇家理工學院的海洋機器人中心設計的。
AUV 設計中的工程權衡
采用就地懸停設計的 AUV，通常搭載多個推進器，這使得 AUV 體積龐大，因而無法輕松完成遠距離航行。另一方面，雖然細長型 AUV 的航程更遠，但受限于形狀，再加之缺乏多個推進器，這些 AUV 在到達目標位置后，更難懸停或使攝像頭和其他傳感器朝向感興趣的目標。
展開 MBSE產品模型架構應用：基于模型驅動架構概念的自主水下航行器控制器的MBSE應用（下）
圖5.AUV控制器實時壓縮的協作圖
圖6.AUV控制器的實時壓縮類圖
這里，離散部件的壓縮由AUV控制器HA中的情況Q和過渡A組成;連續部件的壓縮包含連續狀態空間X;IGCB的壓縮實現了具體的全局連續行為，如f∈F，其中f直接來自公式（3），實現的功能模塊圖（圖4）可以在f中實現，用于估計AUV狀態;外部接口的壓縮是一個中介，它在AUV控制器和MES / MDS之間接收/發送事件/信號;內部接口的壓縮允許 Inv 工具在 HA 演化中生成內部事件。
對于不同AUV應用的控制器操作員來說，可重用性至關重要，因為它減少了制造時間和設備成本。此外，這允許開發AUV的壓縮協作在多種類型AUV的新控制應用中定制和重用，如表2所示。
表 2.設計控制器在多種類型AUV的新控制應用中的可定制性和可重復使用性（IGCB，瞬時全局連續行為）。
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MBSE產品模型架構應用：基于模型驅動架構概念的自主水下航行器控制器的MBSE應用（上）
圖1.自主水下航行器（AUV）的自主架構模塊定義圖
根據上述AUV動態和控制架構，以及第2節中描述的HDS的定義，AUV控制器可以被視為HDS，其動態行為可以通過HA建模，并通過視線（LOS）導航性實現。
文章來源：創景科技
當代無人駕駛水下航行器的推進器設計
從載具推進的物理學角度來看，無人駕駛水下航行器(UUV)與滑雪艇或者油輪幾乎沒有什么不同。它采用了航行器-推進器-驅動的系統模型，該模型通過推進器將驅動能量轉化為推力，以達到推動航行器移動的目的。推力平衡和運動的基本原理對這三種載具都是共同的，即旋轉能量被系統的中心部件推進器轉化為軸向推力。
不同類型載具的推進器設計所不同的是基于載具各自任務所特有的設計約束和目標。例如，一艘滑雪艇在拖曳速度下可能需要高推力，并愿意放棄潛在的最高速度以達到這一任務要求，它的傳動比和推進器特性就是為此而設計的。為了獲得最大的經濟回報，油輪可能需要以“經濟速度”獲得最大的效率。或者，它可能還會額外限制排放或燃料消耗，這就要求在推進器的設計上做出妥協。
考慮到相關的各種任務，水下航行器有其自己的一套推進器設計要求，如電池壽命(或電池容量下運行的最大距離)，最大直徑，最小運行速度，從水動力效率或安全角度考慮是否采用導流管式螺旋槳，同時也考慮到可以減少噪聲，確保安靜地進行數據收集任務。這些設計要求是HydroComp公司進行UUV推進器設計工作時的思考，這些思考來源于一個成功的設計項目，是在和客戶深度溝通設計需求和信息的過程中形成的。航行器-推進器-驅動模型是進行此類設計討論的一個很好的框架。
航行器
典型的UUV是一種回旋體外形(也稱為軸對稱形式)，它有一個鼻子、身體和尾巴。為了裝配設備的內部容積最大化，一些航行器的首部和尾部非常短。正如你可能預料到的，這樣的首部必然會造成阻力的增加，由于流體進入推進器不是沿著軸向而是有一定的斜度，也會損失一定的推進性能。不同的阻力成分，如興波阻力或壓阻力和摩擦阻力或粘性阻力之間的平衡是我們工作的一部分，往往希望得到最小的阻力體積比，事實上，這并不能完全實現。
展開 Raise3D助力北極全球變暖研究中的自主水下航行器開發
從陽光普照的圣迭戈水域到寒冷深邃的北極，Yonder Deep的自主水下航行器證明了3D打印的變革潛力，使他們能夠輕松地克服挑戰，突破界限，并在未知的水域中航行。
▲利用3D打印的力量，革新相關領域
海空兩棲的無人航行器“哪吒”在滬成功研制
既可以上天，也可以入海，一種新概念的海空兩棲無人航行器“哪吒”，由上海交通大學海洋學院海洋技術團隊成功研制，多項技術獲得國家發明專利，相關研究成果近日發表在國際權威期刊《海洋工程》。
記者在上海交通大學海洋學院哪吒實驗室看到，小巧玲瓏、紅白相間的“哪吒”既有固定翼又有旋翼，中間主體是一個電子艙。“哪吒”的機臂上，有一個十分巧妙的折疊機構。通過機械自鎖裝置，可以實現入水之后機臂折疊，出水之前機臂展開。
據上海交通大學海洋學院海洋技術團隊曾錚副研究員介紹，“哪吒”是將水下滑翔機的設計理念與無人機的設計思想進行了有機融合，具備垂直起降與懸停、水平飛行、水下滑翔等多種功能于一體。不僅能在空中飛行自主定位，還可以在指定海域或者水面降落，并進入水下潛航，完成水下的觀測任務后鉆出水面，自主飛行返航。巧妙之處是，“哪吒”的固定翼不僅是空中的飛行翼，入水以后還可以成為滑翔翼。旋翼則可實現航行器在水、空跨界過程中的穩定起降。
上海交通大學海洋學院海洋技術團隊曾錚副研究員介紹“哪吒”。新華社記者張建松攝
作為海空兩棲的航行器，“哪吒”高強的本領來自科研人員長達五年堅持不懈的技術攻關。上海交大海洋技術團隊連璉教授、曾錚副研究員帶領盧迪、熊程珂、呂晨昕、胡銳等成員，在上海市社會發展科技攻關項目、上海交通大學重點前瞻布局基金項目、青島國家海洋科學與技術國家實驗室開放基金項目等支持下，成功研發了承壓耐蝕高速電機、小型輕量化浮力調節系統、海空跨介質航行的非線性穩定控制器等一系列關鍵核心技術。
其中，承壓耐蝕高速電機采用了和傳統水下推進器動密封完全不同的技術，既能夠在空中高速轉動，同時也能在水下承壓。
展開 海空兩棲的無人航行器“哪吒”在滬成功研制
既可以上天，也可以入海，一種新概念的海空兩棲無人航行器“哪吒”，由上海交通大學海洋學院海洋技術團隊成功研制，多項技術獲得國家發明專利，相關研究成果近日發表在國際權威期刊《海洋工程》。
記者在上海交通大學海洋學院哪吒實驗室看到，小巧玲瓏、紅白相間的“哪吒”既有固定翼又有旋翼，中間主體是一個電子艙。“哪吒”的機臂上，有一個十分巧妙的折疊機構。通過機械自鎖裝置，可以實現入水之后機臂折疊，出水之前機臂展開。
據上海交通大學海洋學院海洋技術團隊曾錚副研究員介紹，“哪吒”是將水下滑翔機的設計理念與無人機的設計思想進行了有機融合，具備垂直起降與懸停、水平飛行、水下滑翔等多種功能于一體。不僅能在空中飛行自主定位，還可以在指定海域或者水面降落，并進入水下潛航，完成水下的觀測任務后鉆出水面，自主飛行返航。巧妙之處是，“哪吒”的固定翼不僅是空中的飛行翼，入水以后還可以成為滑翔翼。旋翼則可實現航行器在水、空跨界過程中的穩定起降。
上海交通大學海洋學院海洋技術團隊曾錚副研究員介紹“哪吒”。新華社記者 張建松 攝
作為海空兩棲的航行器，“哪吒”高強的本領來自科研人員長達五年堅持不懈的技術攻關。上海交大海洋技術團隊連璉教授、曾錚副研究員帶領盧迪、熊程珂、呂晨昕、胡銳等成員，在上海市社會發展科技攻關項目、上海交通大學重點前瞻布局基金項目、青島國家海洋科學與技術國家實驗室開放基金項目等支持下，成功研發了承壓耐蝕高速電機、小型輕量化浮力調節系統、海空跨介質航行的非線性穩定控制器等一系列關鍵核心技術。
其中，承壓耐蝕高速電機采用了和傳統水下推進器動密封完全不同的技術，既能夠在空中高速轉動，同時也能在水下承壓。
展開 一種變軸螺旋槳水空跨域無人航行器設計和控制技術
圖10 無人航行器兩相流計算網格示意圖
Fig.10 Schematic diagram of two-phase flow calculation grid for the UAV
無人航行器的速度控制通過水推進槳和兩個前空氣螺旋槳拉力水平分量控制。無人航行器的姿態穩定控制，可類似于對航行器六自由度動力學方程(3)和狀態函數方程(4)分析，通過對升降舵、方向舵、空氣螺旋槳拉力對重心的力矩（圖9）控制來實現無人航行器滑行時的穩定。無人航行器主要的俯仰控制是由下式的力矩來實現的。
式中：X1, X2 分別表示兩個前螺旋槳旋轉中心到無人機重心的水平距離；φ表示兩個前螺旋槳向前傾轉的角度。
本節分析與控制方法既適合于無人航行器從水中到水面起飛前滑行階段的特性設計分析，也適合無人航行器從空中降落到水面滑行階段的特性設計分析。同時，適于本無人航行器在水面作低速滑行執行有關任務的狀態分析。
隨著無人航行器在水面滑行的不斷加速，機翼升力和空氣螺旋槳的垂直力不斷加大，無人航行器將完全脫離水面飛向空中（圖11）。
圖11 無人航行器從水面起飛的狀態
Fig.11 State of the UAV taking off from the water
4 空中無人飛行器形態與控制
上述無人航行器從水面起飛到空中的狀態，雖然可以前飛，但還是屬于“旋翼模式”為主的飛行形態。這時的前飛速度比較慢，耗能也比較大。本無人航行器設計在海上空中執行任務時，應具有較遠的航程和較快的飛行速度能力。為此，我們設計了前空氣螺旋槳軸線可傾轉的功能（圖7）。在一定的飛行高度時，將前空氣螺旋槳軸線從斜角度傾轉到水平角度，實現像普通固定翼無人機一樣作快速飛行。
展開 無人系統與人工智能終將擴大海軍優勢
自主系統項目辦公室的主要任務將是對整個無人自主系統研發生態系統的研發任務線進行統一監管指導，不斷將最新技術進步轉化為自主無人駕駛空中、水面和水下航行器原型的裝配線，這些原型系統將用來驗證作戰價值、實用性和可行性。“其他交易授權”(OTA)等承包機制可以被用于靈活、快速地資助生態系統研發和原型系統建造，從歷史上看，這一授權對創新技術公司、大學和其它研發機構非常有吸引力2。那些被認為特別有效的系統，可以通過“其他交易授權”以低生產率來滿足迫在眉睫的作戰部隊需求，或者通過常規采購程序作為主要記錄項目來獲得。
值得注意的是，自主系統項目辦公室應側重于開發《國防部指令3000.09》中規定的有人監督/人在回路(HOTL) 混合無人自主系統原型3。在這種混合無人自主系統中，人類操作員將預先選定有限的行動和/或行為子集，在無人自主系統執行這些行動之前將由人類進行批準。這些行動可能包括改變主要的任務目標，中斷巡邏以跟蹤一個特定的目標，或與一個根據當前交戰規則被歸類為敵方的對手平臺交戰。在這個子集中沒有選定的所有其它操作和行為都可以在不需要人工干預的情況下由無人自主系統自己執行。
從技術和理念上講，美國海軍還沒有達到部署全自主航行器和系統的地步。雖然研發部門仍在繼續努力，但離真正實現這種自動化還有很長的路要走。相反，軍方目前的自主航行器清單中增加了半自主/人在回路系統(例如“捕食者”、“全球鷹”等)，這些系統已經在戰場和整個作戰戰區廣泛使用了二十多年4。盡管這些系統已經改變了美軍的監視和交戰方式，但它們也存在著固有的缺點，如需要大量控制人員、反應延遲、根據動態環境進行自我調整的靈活性有限。開發有人監督/人在回路無人駕駛航行器將消除這些缺點，釋放出這些系統更大的自主性優勢，同時使人類操作員能保持對飛行器關鍵和潛在致命行為的控制。
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