無(wú)人艇的案例
水面無(wú)人艇技術(shù)發(fā)展及展望
2014年在詹姆士河對(duì)由5艘自動(dòng)控制無(wú)人艇和8艘遠(yuǎn)程遙控無(wú)人艇組成的編隊(duì)集群，開展了水面無(wú)人艇編隊(duì)蜂群作戰(zhàn)相關(guān)試驗(yàn)。13艘無(wú)人艇采用智能控制技術(shù)，按照一定護(hù)衛(wèi)隊(duì)形為核心目標(biāo)組織護(hù)航，通過(guò)艇群的傳感器網(wǎng)絡(luò)成功識(shí)別出模擬的敵方目標(biāo)船只，艇群按照預(yù)設(shè)方案隨即行動(dòng)，對(duì)敵方目標(biāo)進(jìn)行包圍和攔截，阻止了敵方威脅迫近己方護(hù)衛(wèi)目標(biāo)。美國(guó)海軍未來(lái)將持續(xù)組織其他水面無(wú)人艇試驗(yàn)，并將研究重點(diǎn)向引導(dǎo)無(wú)人艇開展多艇協(xié)同行動(dòng)擔(dān)負(fù)復(fù)雜任務(wù)延伸。
2018年初美國(guó)海軍接收了“海上獵人”反潛無(wú)人艇（ACTUV），該型艇是美“反潛連續(xù)追蹤計(jì)劃無(wú)人艦”計(jì)劃中的革命性艦艇，一次出行即可連續(xù)執(zhí)行長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月的反潛任務(wù)。同時(shí)，美國(guó)海軍與軍工企業(yè)達(dá)成協(xié)議，開始研發(fā)裝備有反艦武器系統(tǒng)的無(wú)人艇。
美軍“海上獵人”反潛無(wú)人艇
以色列水面無(wú)人艇研究起步較早，不少型號(hào)均已處于試驗(yàn)測(cè)試階段，更有個(gè)別型號(hào)已經(jīng)完成實(shí)際部署并出口到其他國(guó)家。2006年以色列“保護(hù)者”無(wú)人艇便已裝備海軍，每3艘編成一個(gè)機(jī)動(dòng)編隊(duì)，主要用于以色列沿海地區(qū)和相鄰水域巡邏。2017年3月以色列海軍成功測(cè)試了“海上騎士”無(wú)人駕駛導(dǎo)彈艇，是全球首艘具備導(dǎo)彈發(fā)射能力的無(wú)人艇。
以色列“海上騎士”無(wú)人駕駛導(dǎo)彈艇
俄羅斯正在研究具有“變革海軍戰(zhàn)爭(zhēng)”潛力的未來(lái)無(wú)人技術(shù)，2016年測(cè)試了“探索者”水面無(wú)人艇，該艇最高航速25節(jié)，自持力7天，艇上安裝了復(fù)雜的陀螺穩(wěn)定監(jiān)視和搜索系統(tǒng)和光電監(jiān)視系統(tǒng)、聲納設(shè)備、無(wú)線鏈路系統(tǒng)、電子壓制、遠(yuǎn)程視覺(jué)系統(tǒng)和自動(dòng)滅火系統(tǒng)。
展開 無(wú)人艇在水面靶標(biāo)應(yīng)用與關(guān)鍵技術(shù)研究
無(wú)人艇基于每種傳感器的探測(cè)特性對(duì)特定目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)、跟蹤、識(shí)別等由粗至精的融合處理，再結(jié)合電子海圖和艇內(nèi)組合導(dǎo)航單元信息，構(gòu)建水面環(huán)境立體態(tài)勢(shì)圖，實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇對(duì)航行周圍環(huán)境自主、準(zhǔn)確完整的認(rèn)知，在此基礎(chǔ)上才能正確快速進(jìn)行航行規(guī)劃、自主航行控制與自主避碰等操作。
不過(guò)與其他無(wú)人平臺(tái)無(wú)人車、無(wú)人機(jī)等相比，無(wú)人艇所處的海洋環(huán)境更為復(fù)雜多變，具有動(dòng)態(tài)、不確定和復(fù)雜性，尤其是在惡劣的海況下航行時(shí)具有其特殊性，在環(huán)境感知方面也更加地困難，除了受海上光照、能見度因素等影響外，還面臨特殊挑戰(zhàn)，如艇體劇烈升沉搖擺、海面目標(biāo)可觀性弱與尺度變化大、浪花飛濺與不規(guī)則海岸線外來(lái)干擾等困難；而目前各類艇載傳感器基本上是從其他應(yīng)用的現(xiàn)有產(chǎn)品中選取使用，很少根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境與探測(cè)需求進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)與研制，更加劇了對(duì)航行環(huán)境感知的困難。
同時(shí)，國(guó)內(nèi)無(wú)人艇基于多傳感器的在時(shí)間和空間上深入融合理論、實(shí)踐應(yīng)用均尚未成熟，因此目前在較復(fù)雜航行環(huán)境中，完全依靠無(wú)人艇自主安全可靠航行在短時(shí)間內(nèi)技術(shù)上尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)。所以在復(fù)雜情況下，無(wú)人艇就需要依托岸基支持系統(tǒng)給予智能決策和相關(guān)背景知識(shí)支持，在結(jié)合岸基支持系統(tǒng)基礎(chǔ)上構(gòu)建無(wú)人艇智能環(huán)境感知與信息融合、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型和理論，在此方面硬件條件已具備，可由試驗(yàn)指揮控制中心承擔(dān)。岸基支持系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線通信信道獲取無(wú)人艇周圍靜、動(dòng)態(tài)目標(biāo)以及航行條件，再進(jìn)行智能融合關(guān)聯(lián)分析，運(yùn)用深度學(xué)習(xí)、知識(shí)庫(kù)、情景計(jì)算等智能理論，輔助無(wú)人艇進(jìn)行智能決策，并同時(shí)向無(wú)人艇提供航行海域海況與氣象支持。
⒋海上布放與回收技術(shù)
隨著向藍(lán)海海軍發(fā)展和反艦武器射程的提高，無(wú)人艇需搭載在母艦上在遠(yuǎn)海執(zhí)行試驗(yàn)任務(wù)。母艦利用可靠的布放與回收裝置，完成高海情下無(wú)人艇的收放作業(yè)自動(dòng)化，不需操作人員下水進(jìn)行輔助吊放操作，對(duì)提高無(wú)人艇的可用率和試驗(yàn)效率有重要意義。
展開 世界無(wú)人艇技術(shù)研發(fā)動(dòng)態(tài)與作戰(zhàn)使用分析
⒈進(jìn)一步加強(qiáng)無(wú)人艇協(xié)同自主化
由于無(wú)人艇所處的水面環(huán)境十分復(fù)雜，不僅包括靜態(tài)障礙物，同時(shí)還受海況、其他艦船航行的影響，對(duì)自主駕駛的要求很高，所以，減少人工干預(yù)的成分、構(gòu)建安全的信息共享網(wǎng)絡(luò)、使無(wú)人艇具備自主機(jī)動(dòng)和清除障礙的能力是未來(lái)無(wú)人艇技術(shù)發(fā)展的首要問(wèn)題。在作戰(zhàn)使用中，無(wú)人艇通常采用集群攻擊的方式打擊敵方單一大型艦艇，要求具有強(qiáng)大的指揮控制、態(tài)勢(shì)感知和實(shí)時(shí)信息處理的能力，相比于其他硬件系統(tǒng)，高度自主化和智能化是無(wú)人艇發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
2020年8月，美國(guó)海軍在弗吉尼亞州詹姆斯河上進(jìn)行了一次“蜂群”作戰(zhàn)演示，共有13艘無(wú)人艇參加，它們?cè)谑盏街鄙龣C(jī)提供的威脅報(bào)警后，依托雷達(dá)和紅外傳感器探測(cè)目標(biāo)，以集群作戰(zhàn)模式完成了一系列復(fù)雜動(dòng)作，實(shí)施了對(duì)“入侵目標(biāo)”的包圍和攔截，成功完成了護(hù)航作戰(zhàn)任務(wù)。
⒉進(jìn)一步提高續(xù)航能力
隨著未來(lái)無(wú)人艇執(zhí)行任務(wù)的多樣化，尤其是反水雷、反潛等軍事任務(wù)需要載荷笨重的武器彈藥，對(duì)無(wú)人艇的動(dòng)力設(shè)備提出了更高的要求。無(wú)人艇的優(yōu)勢(shì)在于快速性，但是在保證有效載荷的前提下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)航程并表現(xiàn)出優(yōu)異的耐波形非常困難，美國(guó)等國(guó)家正在研究通過(guò)轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能、海浪能等方式為無(wú)人艇提供源源不斷的能源供應(yīng)。
美國(guó)波音公司與液體機(jī)器人公司正致力于完善海浪波和太陽(yáng)能混合驅(qū)動(dòng)方案，初級(jí)產(chǎn)品已經(jīng)在美無(wú)人艇“SHARC”上展示，可自主航行1年；日本在太陽(yáng)能利用方面已有成形產(chǎn)品問(wèn)世。
⒊進(jìn)一步拓展作戰(zhàn)使用空間
從早期的以執(zhí)行偵察預(yù)警任務(wù)為主，無(wú)人艇的軍事應(yīng)用逐漸向軍事打擊發(fā)展。鑒于海上反潛的高風(fēng)險(xiǎn)性和困難性，無(wú)人艇可能最先在反潛領(lǐng)域獲得突破，事實(shí)上，美國(guó)的“海上獵人”無(wú)人艇已經(jīng)具備一定的實(shí)戰(zhàn)反潛能力。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，無(wú)人艇可攜帶魚雷或小型反水雷武器執(zhí)行有限區(qū)域反潛或掃雷任務(wù)，此外，無(wú)人艇還將在電子戰(zhàn)領(lǐng)域得到應(yīng)用，幫助海軍艦艇對(duì)敵實(shí)施引誘和迷惑。
展開 智能無(wú)人艇的未來(lái)應(yīng)用前景
比起智能無(wú)人機(jī)、智能無(wú)人坦克，智能無(wú)人艇的技術(shù)或更為復(fù)雜，更依賴于先進(jìn)的科技支撐。從上個(gè)世紀(jì)90年代開始，一些發(fā)達(dá)國(guó)家已將智能無(wú)人艇研發(fā)納入軍隊(duì)武器裝備現(xiàn)代化革新的重要項(xiàng)目。
智能無(wú)人艇具備體積小、速度快、雷達(dá)反射面積不大等優(yōu)勢(shì)，可在江河湖海上靈活部署，被認(rèn)為是一種作戰(zhàn)用途廣泛的新型智能水面作戰(zhàn)力量。
智能無(wú)人艇有著怎樣的發(fā)展趨勢(shì)呢？請(qǐng)看專家解讀。
多無(wú)人艇集群協(xié)同控制研究進(jìn)展與未來(lái)趨勢(shì)
多無(wú)人艇協(xié)同作業(yè)不僅可以顯著地減輕操作人員的負(fù)擔(dān)，而且使得海洋作業(yè)變得更加持續(xù)、更具規(guī)模和更加智能，完成單一無(wú)人艇不能高效完成或無(wú)法完成的復(fù)雜任務(wù)。在軍事領(lǐng)域，無(wú)人艇集群具有重要的應(yīng)用價(jià)值，能夠完成協(xié)同態(tài)勢(shì)感知、編隊(duì)護(hù)航、“蜂群”跟蹤、集群對(duì)抗等多種作戰(zhàn)任務(wù)。在民用領(lǐng)域，無(wú)人艇集群能夠極大地延伸海洋作業(yè)范圍，相關(guān)應(yīng)用包括海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋移動(dòng)傳感網(wǎng)監(jiān)測(cè)、協(xié)同資源探測(cè)、協(xié)同災(zāi)難搜救等[6-7]。無(wú)人艇集群控制研究涉及艦船科學(xué)、制導(dǎo)與控制、人工智能、通信科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、仿生學(xué)等眾多學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域，綜合多學(xué)科理論和技術(shù)對(duì)無(wú)人艇集群協(xié)同控制問(wèn)題進(jìn)行研究，為無(wú)人艇海洋作業(yè)提供新理論、新方法和新技術(shù)，既體現(xiàn)智能船舶的發(fā)展趨勢(shì)，又滿足國(guó)家海洋戰(zhàn)略的發(fā)展需求，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值[5, 8]。
目前，國(guó)內(nèi)外在無(wú)人艇集群研究方面已經(jīng)取得了顯著的研究進(jìn)展。在國(guó)外，美國(guó)海軍于2014 年在弗吉尼亞州詹姆斯河開展了無(wú)人艇“蜂群”作戰(zhàn)演示，13 艘無(wú)人艇以集群模式對(duì)可疑船只進(jìn)行攔截和包圍，完成了半自主協(xié)同護(hù)航任務(wù)。2016 年，美國(guó)海軍再次開展無(wú)人艇集群試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了4 艘無(wú)人艇的自主監(jiān)測(cè)、識(shí)別、跟蹤和巡邏等任務(wù)。同年，英國(guó)海軍在蘇格蘭西海岸開展“無(wú)人戰(zhàn)士”大規(guī)模無(wú)人系統(tǒng)部署計(jì)劃演習(xí)，完成了空中、水面和水下三維立體協(xié)同作戰(zhàn)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域探測(cè)和情報(bào)搜集等任務(wù)。在國(guó)內(nèi)，云洲智能公司實(shí)現(xiàn)了81 艘海上無(wú)人艇協(xié)同表演。哈爾濱工程大學(xué)研制了“XL”號(hào)和“海豚”系列等無(wú)人艇樣機(jī)，在海上完成了7 艘無(wú)人艇的協(xié)同編隊(duì)試驗(yàn)。華中科技大學(xué)研發(fā)了HUSTER 全自主無(wú)人艇，完成了5 艘無(wú)人艇的十字和環(huán)形編隊(duì)隊(duì)形湖上試驗(yàn)。大連海事大學(xué)研制了一套多無(wú)人艇集群協(xié)同控制系統(tǒng)，開展了協(xié)同路徑跟蹤、協(xié)同目標(biāo)跟蹤、協(xié)同目標(biāo)包圍等協(xié)同控制試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了7 艘無(wú)人艇的“一字”、“人字”、“環(huán)形”等多種動(dòng)態(tài)編隊(duì)隊(duì)形[9-12]。
展開 中國(guó)無(wú)人艇玩"蜂群"戰(zhàn)術(shù)，在未來(lái)海戰(zhàn)中可大顯身手
特約撰稿 石宏
近日，無(wú)人艇企業(yè)在萬(wàn)山群島海域主導(dǎo)開展了一場(chǎng)大規(guī)模的水面無(wú)人艇“多艇協(xié)同”技術(shù)測(cè)試，總共有56艘小型無(wú)人艇組成編隊(duì)，http://www.mianbaowang.net依據(jù)指令整齊劃一地快速航行。
在航行過(guò)程中自如地規(guī)避島礁、穿越橋洞，編隊(duì)集體轉(zhuǎn)彎以及隊(duì)形自主變換http://www.tyyoule.net其中最令人印象深刻的是快速變幻出復(fù)雜的“軍民”兩個(gè)漢字以及航母造型。這次無(wú)人艇集群技術(shù)測(cè)試，充分展示了我國(guó)無(wú)人艇集群技術(shù)的實(shí)力，是我國(guó)無(wú)人艇向集群化作戰(zhàn)邁出的重要一步。
無(wú)人艇企業(yè)在多艇技術(shù)測(cè)試中擺出了一個(gè)航母造型的編隊(duì)。
無(wú)人艇集群技術(shù)中國(guó)后來(lái)居上
在無(wú)人艇技術(shù)領(lǐng)域，美國(guó)一直處于世界領(lǐng)先地位，全球近一半的無(wú)人艇都是由美國(guó)研制的。http://www.dahuashipin.com美國(guó)對(duì)無(wú)人艇技術(shù)的重視，與2000年美國(guó)海軍伯克級(jí)驅(qū)逐艦“科爾”號(hào)遭受恐怖主義襲擊有很大關(guān)系。當(dāng)時(shí)，一艘裝滿炸藥的自殺小艇突然撞向停靠在也門亞丁港補(bǔ)充燃料的“科爾”號(hào)驅(qū)逐艦，造成美軍17名水兵死亡、39名水兵受傷。這次恐襲事件，使美軍深感有必要發(fā)展無(wú)人艇來(lái)執(zhí)行日常巡邏任務(wù)，這樣能夠?qū)⒋罅康暮＼娙藛T和艦艇騰出來(lái)執(zhí)行其他任務(wù)，同時(shí)還可以避免傷亡。而執(zhí)行這些任務(wù)，無(wú)人艇需要有很強(qiáng)的自主能力，而且單艘艇是不行的，需要集群使用，如同蜜蜂一樣成群結(jié)隊(duì)地攻擊同一個(gè)目標(biāo)，這樣的攻擊具有快速、機(jī)動(dòng)和密集等特點(diǎn)，這就是“蜂群”戰(zhàn)術(shù)。
美軍在無(wú)人艇的發(fā)展過(guò)程中很重視民間力量的參與，例如德事隆集團(tuán)就是一家很重要的研發(fā)和生產(chǎn)無(wú)人艇的民間企業(yè)，與美國(guó)海軍海上系統(tǒng)司令部合作研發(fā)了多款軍用無(wú)人艇。
展開 多無(wú)人艇協(xié)同作戰(zhàn)智能指揮控制系統(tǒng)研究
一、引言
水面無(wú)人艇又稱USV，是一種具有自主航行與路徑規(guī)劃能力，可搭載不同任務(wù)載荷，能夠完成多種任務(wù)的水面艦艇。將人工智能運(yùn)用到水面無(wú)人艇上，可以極大地提升無(wú)人艇的自主能力。由于未來(lái)作戰(zhàn)模式的改變，無(wú)人裝備代替有人裝備執(zhí)行任務(wù)的必然趨勢(shì)將使無(wú)人艇在未來(lái)海上作戰(zhàn)系統(tǒng)中占據(jù)重要的地位，隨著無(wú)人艇技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)人艇必將更加智能化、規(guī)范化、集群化。水面無(wú)人艇編隊(duì)協(xié)同聯(lián)合作戰(zhàn)是未來(lái)海軍作戰(zhàn)的主流趨勢(shì)，人艇協(xié)同作業(yè)可以豐富海上行動(dòng)的戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法、協(xié)調(diào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的空間搭配、提升分布式探測(cè)與執(zhí)行的能力并且降低作業(yè)的耗損。
二、無(wú)人艇作戰(zhàn)的特點(diǎn)
水面無(wú)人艇作為一種新型的水面智能化、無(wú)人化作戰(zhàn)平臺(tái)，能夠執(zhí)行警戒巡邏、偵察監(jiān)視、反潛反水雷、海上救援和海上打擊等多種任務(wù)。具有工作持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、成本低、執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中無(wú)人員傷亡的特點(diǎn)，能夠在危險(xiǎn)海域執(zhí)行任務(wù)并且可以有效地提高戰(zhàn)略要地和艦艇編隊(duì)的安全防護(hù)能力。因此，無(wú)人艇凸顯出巨大的軍事價(jià)值并將會(huì)在未來(lái)的海上作戰(zhàn)中發(fā)揮重要的作用。
水面無(wú)人艇區(qū)別于有人艦艇的最大特點(diǎn)是“人在環(huán)上，不在艇上”即操控人員在遠(yuǎn)離無(wú)人艇的地面或艦船上，對(duì)無(wú)人艇進(jìn)行更高級(jí)別的、戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)上的指揮控制。但由于海洋環(huán)境復(fù)雜多變，要求無(wú)人艇在執(zhí)行任務(wù)時(shí)能進(jìn)行有效分析、實(shí)時(shí)調(diào)整策略，并對(duì)任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中遇到的突發(fā)事件有快速反應(yīng)的能力。
展開 無(wú)人水面艇收放技術(shù)發(fā)展前景
在釋放無(wú)人艇工況下，阻尼緩沖牽引機(jī)構(gòu)可方便解除對(duì)無(wú)人艇的約束，使其釋放入水中。
為提升高海況下設(shè)備操作安全性，捕捉技術(shù)應(yīng)以實(shí)現(xiàn)釋放、回收過(guò)程的無(wú)人化掛、脫鉤為最終目標(biāo)。由于無(wú)人艇沒(méi)有乘員，無(wú)法通過(guò)人工干預(yù)進(jìn)行掛、脫鉤操作。脫鉤可以通過(guò)遙控方式解決，難點(diǎn)是掛鉤操作。
由于母船和無(wú)人艇均處于水面上，在高海況下，相對(duì)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)比較復(fù)雜，通過(guò)對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的研究，確定自動(dòng)捕捉技術(shù)的設(shè)計(jì)方案。收放技術(shù)擬通過(guò)掛、攀（引導(dǎo)）－夾緊（對(duì)中）－固定（鎖緊）的3步驟進(jìn)行自動(dòng)捕捉。其中，掛攀的解決方案為在收放裝置的捕捉裝置上設(shè)定目標(biāo)點(diǎn)，通過(guò)控制無(wú)人艇使安裝在無(wú)人艇上的鎖扣機(jī)構(gòu)和捕捉裝置上設(shè)定目標(biāo)點(diǎn)相連接，對(duì)中機(jī)構(gòu)類似于機(jī)械手，將通過(guò)一組對(duì)稱的伸縮臂收縮動(dòng)作，將捕捉裝置和無(wú)人艇對(duì)中，鎖緊動(dòng)作是通過(guò)桿件的伸縮動(dòng)作，將無(wú)人艇上固定點(diǎn)進(jìn)行機(jī)械式固定，完成整個(gè)無(wú)人艇的捕捉動(dòng)作。
⒊高精度回收引導(dǎo)控制技術(shù)
在復(fù)雜海域情況下，對(duì)高精度回收引導(dǎo)控制技術(shù)予以應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)持續(xù)跟蹤母船的效果，并識(shí)別母船、滑道標(biāo)識(shí)等，以智能化躲避障礙物，并對(duì)自身位置予以不斷調(diào)整，在克服海浪、尾流影響之后，成功駛?cè)牖溃瓿苫厥铡?因海況復(fù)雜，艇體在這種情況勢(shì)必會(huì)發(fā)生劇烈晃動(dòng)，且加之雨霧情況，會(huì)影響到雷達(dá)等傳感器探測(cè)精度，因此在回收過(guò)程中，可采用多傳感器相融合的辦法，針對(duì)高精度回收引導(dǎo)算法展開深入研究，從而使跟蹤過(guò)程更為準(zhǔn)確和穩(wěn)定。
展開 無(wú)人水面艇感知技術(shù)發(fā)展綜述
朱健楠，虞夢(mèng)苓，楊益新
(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，陜西 西安 710072)
摘 要：無(wú)人水面艇因其機(jī)動(dòng)靈活，可替代人工進(jìn)行危險(xiǎn)領(lǐng)域作業(yè)等特點(diǎn)日益成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)。在水面無(wú)人駕駛技術(shù)體系中，感知技術(shù)是核心，而現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外對(duì)其感知技術(shù)的研究仍處于起步階段。本文梳理了無(wú)人艇的研發(fā)進(jìn)程，圍繞感知技術(shù)的3個(gè)方面關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析與探討：基于水面無(wú)人艇的目標(biāo)檢測(cè)，主要包括面向避障的目標(biāo)檢測(cè)及面向作業(yè)的目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)跟蹤、實(shí)時(shí)定位方法。最后考慮到無(wú)人艇感知技術(shù)在系統(tǒng)穩(wěn)定性及目標(biāo)檢測(cè)能力中面臨的挑戰(zhàn)，對(duì)無(wú)人艇感知技術(shù)存在的不足和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)做出展望。
關(guān)鍵詞：無(wú)人水面艇；感知；路徑規(guī)劃；目標(biāo)檢測(cè)；目標(biāo)跟蹤；導(dǎo)航；定位
由于無(wú)人駕駛的發(fā)展，近幾年無(wú)人車和無(wú)人機(jī)已廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)景。與此同時(shí)，應(yīng)用于水面的無(wú)人艇(unmanned surface vehicles，USV)有望在未來(lái)代替人類發(fā)揮重要作用。近年來(lái)，無(wú)人艇被廣泛用于執(zhí)行多種軍事及非軍事任務(wù)，代替作業(yè)人員執(zhí)行危險(xiǎn)或耗時(shí)耗力的任務(wù)，在港口防護(hù)及艦船兵力保護(hù)、海上偵察監(jiān)視、反潛作戰(zhàn)、水上搜救、后勤補(bǔ)給、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、水文采樣、海洋環(huán)境測(cè)繪、水域生態(tài)保護(hù)等方面發(fā)揮著重要作用，提高工作效能的同時(shí)也降低了作業(yè)人員的傷亡。
作為無(wú)人艇的創(chuàng)始者，以色列埃爾比特系統(tǒng)公司推出的“銀色馬林魚”具有劃時(shí)代的戰(zhàn)略意義[1]。隨后，無(wú)人艇SCOUT[2]、水面高速無(wú)人艇PROTECTOR[3]、測(cè)量雙體船海豚(MESSIN)[4]、無(wú)人艇ROBOAT[5]、無(wú)人艇JingHai-I[6]以及各種無(wú)人艇海上協(xié)議相繼推出[7]。近年來(lái)，各企業(yè)也陸續(xù)推出商用水面無(wú)人艇。Fraunhofer CML等8家機(jī)構(gòu)聯(lián)合開展海上智能無(wú)人駕駛航行網(wǎng)絡(luò)(MUNIN)計(jì)劃[8]。日本29家單位聯(lián)合組織開展“智能船舶應(yīng)用平臺(tái)(SSAP1)”項(xiàng)目。
展開 無(wú)人潛水艇的設(shè)計(jì)與仿真
文章來(lái)自：MATLAB
近幾年很多研究機(jī)構(gòu)和公司開始進(jìn)行船舶無(wú)人化研究，這種應(yīng)用未來(lái)會(huì)有廣闊的前景，比如海上救助打撈、海底設(shè)備檢修、海洋考察等，無(wú)人潛水艇能有效減少人員費(fèi)用的支出并提高航行的安全性。
作為新興的先進(jìn)海洋裝備，無(wú)人潛水艇需要攻克動(dòng)力、導(dǎo)航、通訊和船體控制等技術(shù)難題。
一方面需要成熟的路徑規(guī)劃算法，靈巧的操作和避障能力，可以按照既定的路線自主航行躲避障礙，另一方面需要遠(yuǎn)距離水下數(shù)據(jù)采集和通訊能力，確保作業(yè)任務(wù)的質(zhì)量。
在這一領(lǐng)域，借助 MATLAB 和 Simulink 強(qiáng)大的物理建模和仿真能力，可以為您的船舶設(shè)計(jì),系統(tǒng)設(shè)計(jì)和人工智能開發(fā)大幅提高效率。
在本文中，我們將描述如何在 Simulink 里對(duì)一個(gè)假想的六推進(jìn)器無(wú)人艇進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，海底環(huán)境建模，以及對(duì)一個(gè)未知位置的海底黑匣子搜索任務(wù)的算法開發(fā)。
如下圖所示，我們假想的無(wú)人艇裝配了 6 個(gè)推進(jìn)器和 7 個(gè)傳感器：
1）一左一右兩個(gè)主螺旋槳，高效率地提供向前的推動(dòng)力以及橫向轉(zhuǎn)向。
2）兩個(gè)上下方向的小推進(jìn)器，輔助無(wú)人艇的上浮，下潛和縱向轉(zhuǎn)向。
3）左右貫通的兩個(gè)側(cè)向推進(jìn)器，輔助無(wú)人艇橫向轉(zhuǎn)向以及側(cè)向平移。
展開 這位壟斷中國(guó)近10成市場(chǎng)的80后，造出了比美國(guó)都超前的導(dǎo)彈無(wú)人艇
所以他在上海國(guó)際海洋技術(shù)與工程設(shè)備展上，與他研制的“領(lǐng)航者”脫穎而出，吸引力人們的目光，這也促使了我國(guó)成為第三個(gè)掌握大型海洋無(wú)人船技術(shù)的國(guó)家。
人們稱這款無(wú)人船為“全能王”，它不僅在河流污染這一塊被人們夸贊，就連軍事也運(yùn)用到了它，并且它還能夠與無(wú)人機(jī)、潛水器一同工作。
在我國(guó)無(wú)人船領(lǐng)域一片空白的時(shí)候，它以極高的水準(zhǔn)出現(xiàn)，這個(gè)水準(zhǔn)在國(guó)際上也是領(lǐng)先的，真的是填補(bǔ)了我國(guó)的空缺，也使得云洲獲得最佳創(chuàng)新公司的美譽(yù)。
在“領(lǐng)航者”出現(xiàn)后，云洲公司又陸續(xù)推出了一些產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的表現(xiàn)力也是同樣的獲得了人們的夸贊，因?yàn)樗鼈兡軌蚴滞昝赖耐瓿扇蝿?wù)，包括南海島的礁海領(lǐng)域的勘察。
在這一種產(chǎn)品中，最讓人眼前一亮的是“瞭望者Ⅱ”導(dǎo)彈無(wú)人艇，這也是世界各國(guó)的第二款導(dǎo)彈無(wú)人艇，開創(chuàng)了我國(guó)的先例，比美國(guó)還要超前。
科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)就包含了無(wú)人海戰(zhàn)，并且導(dǎo)彈無(wú)人艇的攻擊范圍還是很可以的，也不論被攻擊物體的大小，因?yàn)槭?em>無(wú)人的，所以也不需要擔(dān)心人員傷害，也不許考慮成本問(wèn)題，畢竟一次的投入是可以始終使用的。
這也標(biāo)志著填補(bǔ)了我國(guó)導(dǎo)彈無(wú)人艇的空白，在我國(guó)無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)出現(xiàn)之后，又一個(gè)平臺(tái)領(lǐng)域獲得了強(qiáng)大的進(jìn)步。
美國(guó)海軍還曾對(duì)13艘無(wú)人艇進(jìn)行了比較，能自主控制的僅有五臺(tái)，但是云洲研發(fā)的56艘中，每一臺(tái)的處理能力都是驚人的，比自主控制還有高科技。
張?jiān)骑w還曾說(shuō)過(guò)：這些無(wú)人艦艇用處廣泛，不僅是民用用途，還有軍事用途，在捍衛(wèi)國(guó)家海上的利益絕不讓步，這樣看來(lái)意義也是不一般的。
最為一名80后的創(chuàng)始人，但是卻在無(wú)人船領(lǐng)域獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，研發(fā)的產(chǎn)品被廣泛運(yùn)用，這是多么讓人羨慕的，我們也期待他能帶給我們更多驚喜。
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水上無(wú)人系統(tǒng)研究進(jìn)展及其面臨的挑戰(zhàn)
四方智能(武漢)控制技術(shù)有限公司開發(fā)的“Seafly01”無(wú)人艇，船長(zhǎng)10.25米，航速45節(jié)，續(xù)航400公里，其岸基監(jiān)控平臺(tái)較為先進(jìn)。上海大學(xué)研制的“精海”系列無(wú)人艇曾用于淺海地形測(cè)量，典型型號(hào)航速18節(jié)，實(shí)現(xiàn)了3級(jí)海況的航跡跟蹤誤差小于3米，獲得了國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。大連海事大學(xué)開發(fā)的“藍(lán)鯨號(hào)”已經(jīng)在海上開展過(guò)多次避障試驗(yàn)。華中科技大學(xué)東莞研究院開發(fā)了多個(gè)型號(hào)的無(wú)人艇。中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所在無(wú)人艇環(huán)境感知方面開展了大量扎實(shí)的海上測(cè)試工作，具有很強(qiáng)的研究實(shí)力。
上海交通大學(xué)開發(fā)了動(dòng)力定位無(wú)人艇，參加了全球無(wú)人艇挑戰(zhàn)賽。動(dòng)力定位無(wú)人艇在定位(如水上定點(diǎn)采樣)、精確循跡(如測(cè)繪)和靠泊時(shí)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。除以上單位之外，武漢理工大學(xué)、江蘇科技大學(xué)、天津大學(xué)和福州大學(xué)等高校，安徽科微智能科技有限公司、江陰市北海救生設(shè)備有限公司、中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司、中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司、武漢南華工業(yè)設(shè)備工程股份有限公司、深圳三方無(wú)人技術(shù)有限公司、廣州中海達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司、北京海蘭信數(shù)據(jù)科技股份有限公司和海南今海新天無(wú)人船科技有限公司天等許多企業(yè)也都在對(duì)無(wú)人艇技術(shù)開展研究，開發(fā)了試驗(yàn)艇。不同單位結(jié)合不同背景進(jìn)行了一些應(yīng)用嘗試，如上海大學(xué)和珠海云洲分別派出了無(wú)人艇參與南極科考，珠海云洲、華中科技大學(xué)、大連海事大學(xué)和上海交通大學(xué)都公布了多無(wú)人艇編隊(duì)的演示視頻，包括珠海云洲81艘無(wú)人艇的編隊(duì)航行，華中科大東莞研究院的多艇編隊(duì)航行、大連海事大學(xué)的多艇編隊(duì)航行，以及上海交通大學(xué)以遠(yuǎn)海救援和多船海上作業(yè)為背景的多船協(xié)同。
在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)在無(wú)人艇關(guān)鍵技術(shù)方面開展了前沿性研究，取得了許多理論成果。
環(huán)境感知對(duì)無(wú)人艇正常航行至為關(guān)鍵。
展開 康謀應(yīng)用 | 基于多傳感器融合的海洋數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
在海洋監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，基于無(wú)人艇能夠?qū)崿F(xiàn)高效、實(shí)時(shí)、自動(dòng)化的海洋數(shù)據(jù)采集，從而為海洋環(huán)境保護(hù)、資源開發(fā)等提供有力支持。其中，無(wú)人艇的控制算法訓(xùn)練往往需要大量高質(zhì)量的數(shù)據(jù)支持。然而，海洋數(shù)據(jù)采集也面臨數(shù)據(jù)噪聲和誤差、數(shù)據(jù)融合與協(xié)同和復(fù)雜海洋環(huán)境適應(yīng)等諸多挑戰(zhàn)，制約著無(wú)人艇技術(shù)的發(fā)展。
針對(duì)這些挑戰(zhàn)，我們探索并推出一套基于多傳感器融合的海洋數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠高效地采集和處理海洋環(huán)境中的多維度數(shù)據(jù)，為無(wú)人艇的自主航行和控制算法訓(xùn)練提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)支持。
一、方案架構(gòu)
無(wú)人艇要在復(fù)雜海上環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，尤其是完成障礙物檢測(cè)和跟蹤任務(wù)，其關(guān)鍵在于對(duì)海面環(huán)境的高效感知。因此，通過(guò)集成多種傳感器，包括相機(jī)、激光雷達(dá)、IMU（慣性測(cè)量單元）和GPS（全球定位系統(tǒng)），能夠采集更全面、更精確的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)。但這種系統(tǒng)也會(huì)進(jìn)一步涉及時(shí)間同步、數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)以及環(huán)境適應(yīng)性等問(wèn)題。
基于以上考慮，采用BRICKplus(工控機(jī))+ETH6000+傳感器套件(6*iDS相機(jī)+1*LiDAR+1*IMU+1*GPS)方案架構(gòu)，如下圖所示：
基于BRICKplus+ETH6000構(gòu)建的數(shù)采平臺(tái)，提供12個(gè)以太網(wǎng)接口（10*1Gb+2*10Gb）可以有效接入各個(gè)傳感器，并為后續(xù)升級(jí)技術(shù)架構(gòu)、接入更多傳感器預(yù)留更多空間。多傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量巨大，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)提出了高要求，特別是8MP相機(jī)6個(gè)同時(shí)采集。
采用BRICKplus提供大容量（8/16/32TB）高速寫入（16Gbit/s）存儲(chǔ)硬盤，能夠高效穩(wěn)定落盤傳感器數(shù)據(jù)。采用GPS模塊，支持（g）PTP時(shí)間同步與定位。
二、系統(tǒng)搭建
為了更好的感知無(wú)人艇周邊環(huán)境信息，對(duì)傳感器分布和方式進(jìn)行了設(shè)計(jì)和調(diào)整，布局如下圖所示。
展開 【綜述】海上無(wú)人系統(tǒng)集群：發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)
例如，在 2014 年 8 月，美國(guó)海軍研究辦公室在弗吉尼亞州詹姆斯河開展了13 艘水面無(wú)人艇集群協(xié)同搜索、圍捕的試驗(yàn)，驗(yàn)證了“分散與數(shù)據(jù)自動(dòng)融合系統(tǒng)”（decentralized and autonomous data fusion service, DADFS）和“機(jī)器人智能感知系統(tǒng)控制體系架構(gòu)”（control architecturefor robotic agent command and sensing，CARACaS）這兩個(gè)軟件在實(shí)現(xiàn)水面無(wú)人艇集群協(xié)同完成任務(wù)分解和自主決策方面的有效性。由于上述系統(tǒng)在目標(biāo)識(shí)別、攔截等方面還需要人工輔助 ， 所 以 僅 實(shí) 現(xiàn) 了 半 自 主 的 無(wú) 人 協(xié) 同 作 戰(zhàn) 。
2016 年 10 月，美國(guó)海軍研究辦公室還開展了 4 艇協(xié)同對(duì)海面目標(biāo)自主察打跟蹤的試驗(yàn)，并取得了成功，這標(biāo)志著美國(guó)成為了首個(gè)實(shí)現(xiàn)水面無(wú)人艇集群自主作戰(zhàn)的國(guó)家；2018 年 1 月，中國(guó)華中科技大學(xué)實(shí)現(xiàn)了 4 艘水面無(wú)人艇組網(wǎng)，并進(jìn)行了協(xié)同勘探、巡邏緝私、物資投送、污染清理等試驗(yàn)；同年 5 月，云洲智能公司使用 56 艘水面無(wú)人艇，驗(yàn)證了航跡規(guī)劃、編隊(duì)控制、集群內(nèi)部沖突解脫算法的有效性。綜上所述，在水面無(wú)人艇集群方面，我國(guó)相關(guān)研究的起步較晚，目前實(shí)現(xiàn)的水面無(wú)人艇集群協(xié)同控制與智能化程度距國(guó)際先進(jìn)水平尚有一定的差距。
展開 專業(yè)締造，亞洲引航 Seawork Asia 2018第三屆上海國(guó)際商用及公務(wù)船舶展覽會(huì)圓滿落幕
深耕公務(wù)、工作船行業(yè)多年，Seawork Asia持續(xù)引領(lǐng)市場(chǎng)潮流和行業(yè)趨勢(shì)，為積極貫徹加快實(shí)現(xiàn)海洋強(qiáng)國(guó)、科技強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)，推動(dòng)中國(guó)無(wú)人艇領(lǐng)域的長(zhǎng)足發(fā)展，由中國(guó)太平洋學(xué)會(huì)、施若科會(huì)展（上海）有限公司聯(lián)合主辦的“Seawork Asia 2018無(wú)人艇主題展”也同期舉辦，國(guó)家海洋局、中國(guó)船級(jí)社、沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、上海大學(xué)、上海海事大學(xué)、武漢勞雷、大鵬高科、上海彩虹魚等積極參與。從研發(fā)、制造、檢驗(yàn)、發(fā)展等多角度分享中國(guó)無(wú)人艇高速發(fā)展時(shí)代的新思考，很多前沿觀點(diǎn)受到現(xiàn)場(chǎng)嘉賓觀眾的熱烈追捧。國(guó)家海洋局南海調(diào)查技術(shù)中心董超副研究員表示，“在無(wú)人艇快速發(fā)展的大趨勢(shì)下，行業(yè)更應(yīng)加強(qiáng)交流，通力合作，進(jìn)而使無(wú)人艇行業(yè)可以在更高的起點(diǎn)、更好的平臺(tái)、更廣闊的環(huán)境里實(shí)現(xiàn)更好的發(fā)展。”
本次展會(huì)期間，主辦方還為中外企業(yè)安排了近20場(chǎng)貿(mào)易洽談會(huì)，力求搭建一個(gè)“一對(duì)一”、“面對(duì)面”的高效商務(wù)對(duì)接平臺(tái)。BMT、BUKH、Camarc、Griffon、Hadrian Safety Rails、NRG、MST、TEEKEY Couplings、Vectis等多家國(guó)外參展企業(yè)都在此次活動(dòng)中收益良多，達(dá)成多項(xiàng)合作意向。他們都表示，Seawork Asia這樣的專業(yè)平臺(tái)為他們打開了通向亞洲市場(chǎng)的捷徑，他們將繼續(xù)在自己的領(lǐng)域精耕細(xì)作，把更好的產(chǎn)品和技術(shù)帶到Seawork Asia 2020。
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