隨著第三次工業(yè)革命信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展以及第四次工業(yè)革命智能化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的來臨，無人裝備制造領(lǐng)域取得了快速發(fā)展，其中無人機(jī)和無人汽車已經(jīng)逐漸走進(jìn)人們的生活，此外，無人裝備制造中的無人船艇也在逐漸進(jìn)入人們的視野，并取得了飛速發(fā)展。無人船是無人水面航行器（Unman Surface Vehicle）的簡(jiǎn)稱。廣義的無人船是指一種可執(zhí)行某類指定任務(wù)，并基于任務(wù)目的進(jìn)行功能、性能設(shè)計(jì)的水面機(jī)器人；狹義的無人船則是指具有一定機(jī)動(dòng)能力的水面自主、半自主、遙控搭載體。
圖1 無人船系統(tǒng)組成
其中，平臺(tái)系統(tǒng)各分系統(tǒng)定義如下：
⑴平臺(tái)本體分系統(tǒng)：包括船體設(shè)計(jì)與布置、材料與結(jié)構(gòu)以及平臺(tái)機(jī)械，是無人船最基本的組成部分，為整個(gè)系統(tǒng)提供浮力、布置空間、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及必要的防護(hù)條件；
⑵動(dòng)/能分系統(tǒng)：包括推進(jìn)系統(tǒng)和電源供給系統(tǒng)，為無人船提供必要的水面機(jī)動(dòng)能力，并為控制系統(tǒng)和任務(wù)載荷系統(tǒng)等提供電力支持；
⑶感知分系統(tǒng)：包括定位導(dǎo)航系統(tǒng)、外部環(huán)境感知系統(tǒng)和平臺(tái)狀態(tài)感知系統(tǒng)，為無人船運(yùn)動(dòng)決策與控制、自身狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供必要的數(shù)據(jù)源及硬件、接口支持；
⑷控制分系統(tǒng)：包括控制系統(tǒng)硬件和軟件，是無人船的“大腦”，通過全船的感知及控制設(shè)備，為無人船處理、分析外部空間及內(nèi)部環(huán)境信息，并根據(jù)核心控制算法實(shí)現(xiàn)自主航行、自主避障等功能；
⑸通信分系統(tǒng)：包括控制端通信設(shè)備和執(zhí)行端通信設(shè)備，為無人船搭建執(zhí)行任務(wù)所需數(shù)據(jù)鏈路；
⑹交互分系統(tǒng)：包括支持設(shè)備和交互軟件，為操作人員對(duì)無人船實(shí)施控制、了解狀態(tài)信息、下達(dá)自主指令等操作；
任務(wù)載荷系統(tǒng)定義如下：任務(wù)載荷系統(tǒng)指無人船用以執(zhí)行任務(wù)的儀器、設(shè)備、武器及配套伺服機(jī)構(gòu)、裝置等，一般設(shè)計(jì)為即插即用模塊，可根據(jù)不同任務(wù)目的和用途規(guī)劃出不同的任務(wù)載荷系統(tǒng)。
無人船是海洋技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，海洋技術(shù)發(fā)展目的是為了提升獲取數(shù)據(jù)的精度、準(zhǔn)度、廣度以及連續(xù)性，同時(shí)提高獲取數(shù)據(jù)過程的安全性并降低其成本。
海洋技術(shù)分兩個(gè)大方向，一是平臺(tái)技術(shù)或稱運(yùn)載技術(shù)，主要指搭載體的設(shè)計(jì)、開發(fā)及應(yīng)用等，另一個(gè)是傳感器技術(shù)或稱載荷技術(shù)，主要指儀器設(shè)備的設(shè)計(jì)、開發(fā)及獲得數(shù)據(jù)的解析、存儲(chǔ)和處理等。從學(xué)科方向劃分上來講，狹義的無人船屬于海洋技術(shù)領(lǐng)域的平臺(tái)技術(shù)。因此，無人船的核心技術(shù)與海洋技術(shù)領(lǐng)域的核心技術(shù)是一致的，實(shí)質(zhì)就是圍繞任務(wù)目的、載荷原理、使用環(huán)境特點(diǎn)，以應(yīng)用開發(fā)、功能開發(fā)為主體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方面：
圍繞任務(wù)載荷原理、使用要求、作業(yè)方法等，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，如振噪抑制、削弱航行擾動(dòng)、動(dòng)穩(wěn)性優(yōu)化、電磁兼容性優(yōu)化等。
常規(guī)海洋調(diào)測(cè)使用的儀器設(shè)備多為聲學(xué)、光學(xué)、電化學(xué)接觸式傳感器。無人船吃水淺、布置空間緊湊，因此各種儀器設(shè)備容易受到平臺(tái)振動(dòng)、自噪聲、航行過程中的晃動(dòng)和產(chǎn)生的水花、氣泡附面層以及電磁輻射和動(dòng)力系統(tǒng)排放等的影響，造成數(shù)據(jù)質(zhì)量和作業(yè)效率下降。因此在無人船設(shè)計(jì)方面，就需要從系統(tǒng)效能的角度出發(fā)，圍繞任務(wù)載荷原理和對(duì)工作環(huán)境要求，對(duì)無人船從線形和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、載荷布置方式、動(dòng)力系統(tǒng)選型、推進(jìn)裝置優(yōu)化、運(yùn)動(dòng)控制策略設(shè)計(jì)、供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行有針對(duì)性的特殊設(shè)計(jì)和處理。
針對(duì)海洋動(dòng)力環(huán)境中風(fēng)、浪、流對(duì)水面載具的影響，開發(fā)欠驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制算法，實(shí)現(xiàn)如高精度循線航行、高海況自航、自守位等功能。
常規(guī)海洋調(diào)測(cè)多采用循線走航探測(cè)或定點(diǎn)剖面觀測(cè)的方式作業(yè)。無人船體量小、推力有限，且屬于典型的欠驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)體，因此容易受到海面動(dòng)力因素的擾動(dòng)，出現(xiàn)偏航距超限、航向不穩(wěn)定、失速及大幅度搖動(dòng)導(dǎo)致甲板上浪甚至傾覆的情況。因此在無人船運(yùn)動(dòng)控制方面，需要設(shè)計(jì)基于定位、姿態(tài)數(shù)據(jù)的前饋控制進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，通過無人船實(shí)時(shí)位置、航速、艏向、橫縱搖、升沉數(shù)據(jù)，判斷風(fēng)、流的恒定擾動(dòng)以及波浪的周期性擾動(dòng)的強(qiáng)度、方向，結(jié)合無人船慣性力、阻力、恢復(fù)力運(yùn)動(dòng)模型，提前干預(yù)推力矢量輸出，確保無人船能夠在以較高精度循線航行，或在高海況下通過艏向、推力調(diào)節(jié)確保無人船不失速及發(fā)生大幅度橫搖。
針對(duì)高動(dòng)態(tài)、多徑效應(yīng)影響突出的海面、水下復(fù)雜環(huán)境，開發(fā)健壯性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、低時(shí)延、高帶寬的微波、水聲通信技術(shù)。
海上通信主要依賴微波（海面）和聲學(xué)（水下）兩種手段。無人船上建高度有限，且體量小、吃水淺、橫縱搖、升沉幅值大，微波通信設(shè)備天線距水面高度小同時(shí)存在較大搖晃幅度的情況下，通信距離首先，且容易受水面多徑效應(yīng)影響造成信噪比下降，而水聲通信由于帶寬有限，往往只能進(jìn)行極為有限的樹下數(shù)據(jù)鏈支持。因此在無人船通信技術(shù)方面，需根據(jù)海洋環(huán)境的特殊性對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，開發(fā)可應(yīng)對(duì)高動(dòng)態(tài)復(fù)雜水面環(huán)境的微波通信技術(shù)，以及更高帶寬的水聲通信技術(shù)，尤其是針對(duì)同構(gòu)、異構(gòu)平臺(tái)間的多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)、跨介質(zhì)通信，仍有較多難點(diǎn)需要解決。
目前無人船從用途上，可分為兩大方向，海洋調(diào)查和測(cè)量（簡(jiǎn)稱海洋調(diào)測(cè)）和防務(wù)。
海洋調(diào)測(cè)類無人船通常對(duì)速度要求不高，通常在10kn以內(nèi)，但對(duì)平臺(tái)載荷適配性設(shè)計(jì)、自主運(yùn)動(dòng)控制能力、續(xù)航力等要求較高。
從任務(wù)目的來說，海洋調(diào)測(cè)總體可分為海洋地球物理探測(cè)和海洋環(huán)境要素觀測(cè)兩個(gè)大方向，前者主要包括海洋測(cè)繪、沉積環(huán)境調(diào)查、水下目標(biāo)檢測(cè)等任務(wù)，后者則涵蓋了物理海洋（氣象、水文）觀測(cè)、海洋生化指標(biāo)監(jiān)測(cè)、海洋生物觀測(cè)等。
防務(wù)類無人船則對(duì)航速有較高要求，應(yīng)急、巡邏無人船通常最高航速需達(dá)到20kn以上，而可執(zhí)行艦隊(duì)級(jí)戰(zhàn)術(shù)支持任務(wù)的軍用截?fù)魺o人船則需達(dá)到40kn以上。
從任務(wù)目的來說，防務(wù)類總體可分為要地巡邏、海上事故應(yīng)急處置、區(qū)域戰(zhàn)術(shù)支持三大方向，第一個(gè)方向主要面向重點(diǎn)港口、海上構(gòu)筑物、航道區(qū)域的巡檢；第二個(gè)方向主要面對(duì)海難、海上環(huán)境事故等的現(xiàn)場(chǎng)偵查取證、人員和設(shè)施救助以及污染物處置等；第三個(gè)方向主要面對(duì)配合大型水面艦只進(jìn)行舷外干擾、電子對(duì)抗、火力打擊、區(qū)域反介入等。
綜上所述，作為一種水面自主平臺(tái)，搭載相應(yīng)任務(wù)載荷的無人船相對(duì)于傳統(tǒng)載人船舶而言，其優(yōu)勢(shì)在于靈活機(jī)動(dòng)、安全、隱蔽性強(qiáng)、運(yùn)維費(fèi)用低廉，未來發(fā)揮作用的場(chǎng)景主要包括以下三種：⑴代替從業(yè)者執(zhí)行勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高的工作；⑵代替從業(yè)者執(zhí)行重復(fù)性、長(zhǎng)周期的工作；⑶取代部分施工成本高、人力投入大的工作模式或方法。
目前國內(nèi)外有大量機(jī)構(gòu)在進(jìn)行無人船技術(shù)的研發(fā)工作，其中企業(yè)包括：美國科學(xué)應(yīng)用公司、美國通用動(dòng)力公司、美國諾格公司、以色列埃爾比特系統(tǒng)公司、以色列拉斐爾先進(jìn)防務(wù)系統(tǒng)公司、以色列航空工業(yè)公司、英國奎納蒂克公司、英國ASV公司、德國阿特拉斯電子公司、法國ECA公司、日本雅馬哈公司等；科研院所、高校包括：美國海軍研究局、DAPPA、中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所、中國船舶重工集團(tuán)公司旗下各研究所、哈爾濱工程大學(xué)、海軍工程大學(xué)、上海海事大學(xué)、大連海事大學(xué)、上海大學(xué)等。
在國家級(jí)資助研發(fā)項(xiàng)目方面，歐盟依托地平線2020計(jì)劃支持了無人智能船舶、低碳船舶技術(shù)等相關(guān)研究，中國依托科技部863計(jì)劃支持了遠(yuǎn)程快速水面無人船的相關(guān)研究。
技術(shù)成熟度方面，美國等發(fā)達(dá)國家高度重視自主型USV發(fā)展，持續(xù)大力投入，目前在研和現(xiàn)役無人船共約19型63艘（其中美國研制的數(shù)量約占總數(shù)的50%），在反潛、反水雷、情報(bào)偵察、海洋環(huán)境調(diào)查等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。
國內(nèi)無人船技術(shù)研究起步較晚，且研發(fā)機(jī)構(gòu)以高校、科研院所為主，因此產(chǎn)品化、工程應(yīng)用方面較弱。前期重點(diǎn)發(fā)展專用遙控船船（不具備自主控制能力），目前已進(jìn)入自主式無人船發(fā)展階段，現(xiàn)有的一些成熟的無人產(chǎn)品在海洋調(diào)測(cè)等方面已投入使用，且出現(xiàn)具備自主駕控能力的無人船產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品，但在體量超過20m的無人船方面還未出現(xiàn)產(chǎn)品或工程樣機(jī)。
國內(nèi)外相關(guān)的典型技術(shù)和應(yīng)用成果如下：
⑴Ocean Infinite公司使用L3-ASV公司生產(chǎn)的C-Worker8作為水面通信節(jié)點(diǎn)和水下導(dǎo)航定位支持系統(tǒng)，通過與搭載聲學(xué)探測(cè)設(shè)備的AUV組網(wǎng)協(xié)同搜索馬航M370殘骸。
圖2 USV和AUV跨介質(zhì)組網(wǎng)協(xié)同工作
圖3 無人船搜索馬航M370殘骸
⑵Sail Drone公司推出的風(fēng)帆動(dòng)力無人船：通過將原生海洋能作為直接動(dòng)力實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)航時(shí)，執(zhí)行中、大尺度物理海洋觀測(cè)任務(wù)。
圖4 Sail Drone風(fēng)帆動(dòng)力無人船
圖5 Sail Drone風(fēng)帆動(dòng)力無人船在冰島附近海域進(jìn)行水文觀測(cè)
⑶法國ECA公司開發(fā)了“Inspector Mk”系列USV可執(zhí)行淺水/極淺水測(cè)量和檢查、瀕海/沿海水文測(cè)量工作、海港/海上設(shè)備監(jiān)測(cè)和保護(hù)、目標(biāo)探測(cè)和分類等典型任務(wù)。
目前無人船絕大多數(shù)采用了基于載人船配置方式的常規(guī)設(shè)計(jì)，其作業(yè)方式、使用方式也極大程度上參考了常規(guī)海洋調(diào)測(cè)船的施工慣例和模式，無人船系統(tǒng)的操作性、穩(wěn)定性很大程度上取決于船體性能、通信能力和自主控制精度，無人船還無法形成獨(dú)立、完整的作業(yè)能力，因此現(xiàn)階段無人船的運(yùn)用是作為傳統(tǒng)技術(shù)手段的復(fù)制和補(bǔ)充。
未來隨著材料技術(shù)、傳感器技術(shù)、智能控制技術(shù)以及相關(guān)法規(guī)的發(fā)展，無人船將逐步脫離傳統(tǒng)船舶的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)開發(fā)將從“以船為核心”轉(zhuǎn)化為“以任務(wù)目的為核心”，無人船將從一種智能化水面搭載平臺(tái)轉(zhuǎn)變?yōu)獒槍?duì)某任務(wù)目的的作業(yè)系統(tǒng)，對(duì)人工干預(yù)的依賴性逐步降低，從控制端指令驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)逐步發(fā)展成事件驅(qū)動(dòng)型分散式系統(tǒng)，初步具備獨(dú)立、完整的作業(yè)能力，可替代部分傳統(tǒng)調(diào)查手段和方法，同時(shí)隨著各種針對(duì)無人平臺(tái)特點(diǎn)研發(fā)的新型任務(wù)載荷將大幅度提升無人船作業(yè)能力，催生出更多的基于無人船應(yīng)用的系統(tǒng)解決方案。
目前初見端倪的兩類發(fā)展方向是新式特型平臺(tái)和多智能體異構(gòu)集群協(xié)同能力的擴(kuò)展。新式特型平臺(tái)突出單體針對(duì)特殊任務(wù)或極端環(huán)境的適應(yīng)能力，如具備多模機(jī)動(dòng)能力的可潛無人船，i7 Engineering公司研發(fā)的SUBMARAN風(fēng)帆可潛無人船，該產(chǎn)品帶有一面可收折的剛性帆，在水面航行時(shí)通過剛性帆調(diào)節(jié)攻角進(jìn)行航行，在暴風(fēng)浪環(huán)境下可潛入水下駐留或利用電能航行，該類可潛無人船預(yù)計(jì)在極端氣象過程觀測(cè)、水下偵聽等特定領(lǐng)域會(huì)有較大的發(fā)展；另一類發(fā)展方向是多智能體異構(gòu)集群協(xié)同能力，其對(duì)跨介質(zhì)通信能力、運(yùn)動(dòng)控制算法等的依賴度較高，雖然目前已有部分機(jī)構(gòu)取得了突破性進(jìn)展，如Ocean Infinite公司的USV和AUV的跨域組網(wǎng)，云洲公司的多船協(xié)同等，但針對(duì)更廣闊的海洋調(diào)測(cè)、防務(wù)應(yīng)用層面，技術(shù)水平仍有待提升。
隨著未來無人船相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，其技術(shù)成熟度會(huì)逐漸加深，應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)展，尤其是在深遠(yuǎn)海調(diào)查、工程領(lǐng)域，無人船將逐步取代部分常態(tài)化觀測(cè)、監(jiān)測(cè)、支持技術(shù)，轉(zhuǎn)化為海洋調(diào)測(cè)、海洋工程的一種常規(guī)手段，同時(shí)系統(tǒng)具備完全獨(dú)立、完整的作業(yè)能力，傳統(tǒng)海洋作業(yè)模式將發(fā)生翻天覆地的變化。
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