在現(xiàn)代海洋高新技術(shù)的介入和支撐下，出現(xiàn)了許多新的探測(cè)手段，特別是以無人水面艦船(USV)為代表的各種無人搭載平臺(tái)，在未來海洋環(huán)境場(chǎng)建設(shè)中扮演越來越重要的角色。以無人艇為載體的海洋測(cè)量是目前的研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外多家科研單位開展了無人水面測(cè)量艇的研制和試驗(yàn)，通過搭載測(cè)深設(shè)備實(shí)現(xiàn)海底地形測(cè)量，國(guó)外比較具有代表性的有法國(guó)ECA公司、英國(guó)ASV無人水面船公司、美國(guó)SeaRobotics公司，國(guó)內(nèi)主要以北京海蘭信數(shù)據(jù)科技股份有限公司、上海大學(xué)、國(guó)家海洋局等科研單位為主。
面對(duì)基于無人水面艦船的新型探測(cè)手段，有必要系統(tǒng)分析目前的研究現(xiàn)狀，歸納總結(jié)關(guān)鍵技術(shù)供后續(xù)研究參考。本文詳細(xì)闡述了國(guó)內(nèi)外測(cè)量無人艇的研制和開發(fā)現(xiàn)狀，分析了測(cè)量無人艇關(guān)鍵技術(shù)，并指出測(cè)量無人艇未來的發(fā)展方向。
⒈測(cè)量艇型技術(shù)規(guī)格
到目前為止，世界上出現(xiàn)了多型USV，最具有代表意義的是法國(guó)ECA公司的“InspectorMK2”號(hào)USV、英國(guó)ASV公司的“C-CAT4”號(hào)USV、美國(guó)SeaRobotics公司研發(fā)了UV-2600等。對(duì)國(guó)內(nèi)外主要典型無人艇進(jìn)行統(tǒng)計(jì)見表1。
表1歸納總結(jié)了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外無人測(cè)量船(艇)的技術(shù)規(guī)格一覽表，可以看出，船只主要技術(shù)參數(shù)相近，分析如下。
⑴船體長(zhǎng)度與應(yīng)用環(huán)境和運(yùn)載平臺(tái)相關(guān)。內(nèi)河內(nèi)湖水況較為平靜，無需過多考慮跨浪問題，結(jié)合運(yùn)輸便利性和吃水深度，船體尺度一般設(shè)計(jì)在4m以下，而海上作業(yè)需要考慮浪涌條件下的船舶穩(wěn)性問題，同時(shí)要兼顧測(cè)量船的攜帶能力，船體長(zhǎng)度一般在4～10m之間。
⑵由于過高航速會(huì)影響測(cè)繪應(yīng)用的聲學(xué)儀器的工作性能，所以無人測(cè)量船作業(yè)航行速度大部分在6～10kn之間。
⑶由于微型船船型設(shè)計(jì)能力有限，無人船的研制多是從有人艇型改造而來，船體大部分使用單體船，少數(shù)使用雙體船。無人測(cè)量船作業(yè)對(duì)航速要求不高、對(duì)抗浪形和穩(wěn)性要求較高的特點(diǎn)，未來會(huì)更多地出現(xiàn)雙體艇或M型仿三體艇。
⑷推進(jìn)方式多為涵道電力推進(jìn)器或與柴油泵噴式推進(jìn)器復(fù)合使用，主要原因是電力推進(jìn)器的靜音效果可以減少對(duì)測(cè)繪儀器聲波發(fā)射與回收的干擾，如需具備快速抵近功能，可采用混合動(dòng)力方式。
⑸測(cè)繪無人艇現(xiàn)有的控制方式主要受限于通信能力和感知能力帶來的智能化程度不足。目前的測(cè)繪艇控制方式主要包括遙控、自動(dòng)和手動(dòng)3種，通常使用無人駕駛遙控及自動(dòng)兩種方式切換的控制方式。
⑹多波束等聲學(xué)測(cè)繪儀器的工作原理限制傳統(tǒng)的測(cè)量船地形測(cè)繪作業(yè)海況可在2～3級(jí)海況下操作，無人測(cè)量船的作業(yè)同樣受到這個(gè)因素限制，多集中在低海況。無人化作業(yè)模式需要應(yīng)對(duì)海況突發(fā)情況，所以往往要求具有較強(qiáng)的生存能力，7～10m艇型的生存能力設(shè)計(jì)均可達(dá)到5級(jí)海況。
⒉國(guó)內(nèi)外技術(shù)差距分析及需要重點(diǎn)攻克的技術(shù)
雖然國(guó)內(nèi)無人艇技術(shù)已取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，然而國(guó)內(nèi)無人艇在產(chǎn)品系列化、應(yīng)用水平、自主程度仍顯不足。ASV公司的產(chǎn)品已系列化，包括C-Worker(6型)、C-CAT(3型)、C-Enduro、C-Sweep、C-Stat、C-Target(4型)等6個(gè)系列，共16個(gè)型號(hào)，可滿足不同海況、不同作業(yè)場(chǎng)景、不同用途的作業(yè)需求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，ASV公司的產(chǎn)品已銷往10個(gè)國(guó)家，包括40家客戶、70套無人艇產(chǎn)品，截至2016年10月26日，ASV公司的無人水面艇已經(jīng)達(dá)到累計(jì)使用1000天，產(chǎn)品得到大量客戶的廣泛使用和意見反饋。由于國(guó)內(nèi)無人艇技術(shù)發(fā)展較晚，無人艇市場(chǎng)仍未成熟，尚未形成產(chǎn)品應(yīng)用與研發(fā)相互促進(jìn)的市場(chǎng)環(huán)境，因此，研究單位和企業(yè)的無人艇產(chǎn)品類型單一、應(yīng)用面窄，產(chǎn)品仍未經(jīng)受用戶長(zhǎng)期使用的考驗(yàn)，可靠性及應(yīng)用水平仍有待提高。美國(guó)在無人艇自主技術(shù)研究屬國(guó)際領(lǐng)先，自主等級(jí)為L(zhǎng)4級(jí)，為應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的大多數(shù)場(chǎng)景自動(dòng)化，而國(guó)內(nèi)自主技術(shù)只能達(dá)到L2級(jí)，屬于半自動(dòng)化，為包含避障的路徑導(dǎo)航。
自主化水平的提高需要更先進(jìn)的信號(hào)處理、決策和自動(dòng)控制技術(shù)的支持，因此國(guó)內(nèi)在提高無人艇自主化水平時(shí)需要重點(diǎn)攻克環(huán)境信息傳感器及其融合技術(shù)、面向任務(wù)的決策技術(shù)以及智能無人艇運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。
⒊推進(jìn)方式優(yōu)缺點(diǎn)比較
常用的無人艇推進(jìn)方式主要是噴水式推進(jìn)器和螺旋槳推進(jìn)器(含涵道電力推進(jìn))兩種方式，其優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析見表2。
1、測(cè)量艇型技術(shù)
一方面，目前測(cè)量艇型主要基于高速艇型開發(fā)的，具有重航行(低阻力、低能耗)、輕測(cè)量(振動(dòng)大、易生氣泡)性能的問題；另外一方面，測(cè)量無人艇航行過程中，碎波、水花等在船首水線附近的水中避免不了的產(chǎn)生很多氣泡，而氣泡會(huì)吸收聲波甚至反射聲波，這樣將會(huì)干擾無人測(cè)量艇搭載的多波束等聲學(xué)設(shè)備的正常工作。針對(duì)這個(gè)問題測(cè)量無人艇的型線設(shè)計(jì)需要特殊處理，測(cè)量無人艇型線設(shè)計(jì)除了要降低艇體與水的摩擦力，還要減少下泄至多波束等聲學(xué)設(shè)備導(dǎo)流罩底部的氣泡數(shù)目。所以摩擦力和防氣泡指標(biāo)是評(píng)價(jià)型線合理與否的最主要的兩條標(biāo)準(zhǔn)。張亞使用CFD技術(shù)預(yù)報(bào)實(shí)船阻力性能，采用流線分析法預(yù)報(bào)線型的防氣泡性能，獲得理想的船首和多波束導(dǎo)流罩線型。
2、航行/測(cè)繪一體化技術(shù)
常規(guī)測(cè)量無人艇的航行任務(wù)與測(cè)繪作業(yè)分開操縱和控制，航行任務(wù)由航行控制軟件操縱，測(cè)繪任務(wù)由測(cè)繪作業(yè)軟件控制，航行功能與作業(yè)功能分離。航行控制軟件側(cè)重航行功能開發(fā)，一般不具備測(cè)線規(guī)劃功能，難以進(jìn)行測(cè)繪作業(yè)設(shè)計(jì)；測(cè)繪軟件可以進(jìn)行測(cè)線規(guī)劃、測(cè)線作業(yè)等，但與航行軟件無接口，無法將測(cè)線規(guī)劃結(jié)果轉(zhuǎn)化為航行軟件可接受的數(shù)據(jù)格式后驅(qū)動(dòng)無人艇航行。測(cè)量無人艇的測(cè)繪航行一體化技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)繪規(guī)劃數(shù)據(jù)直接驅(qū)動(dòng)無人艇航行，對(duì)于提高測(cè)量?jī)x器作業(yè)效率，提高儀器和無人艇兼容性等方面有著重要的作用。汪連賀提出了測(cè)控一體化方案，極大地提高測(cè)量部分的作業(yè)效率和能力。
3、面向測(cè)繪作業(yè)的自動(dòng)控制技術(shù)
測(cè)繪對(duì)無人艇的理想要求是橫向和航向的穩(wěn)定性。然而測(cè)量無人艇在水況變化莫測(cè)的水域行駛，常面臨風(fēng)浪、天氣突變等外界環(huán)境因素對(duì)無人艇姿態(tài)造成干擾，影響數(shù)據(jù)質(zhì)量。因此需要測(cè)量無人艇的自動(dòng)控制模塊具有很強(qiáng)的抗干擾性，能夠在風(fēng)浪條件下和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)保持平穩(wěn)。目前投入使用的測(cè)量無人艇常用的增強(qiáng)艇體的穩(wěn)定性和耐波性的方式是調(diào)整船體的外形，但在控制方面，還有很大的提升空間，所以自動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)成為測(cè)量無人艇的關(guān)鍵技術(shù)之一。測(cè)量無人艇控制技術(shù)中需要解決的問題是保證運(yùn)動(dòng)過程中橫向和航向的穩(wěn)定性，對(duì)此有諸多研究人員提出了解決方法。Kumarawadu等設(shè)計(jì)了速度控制器，并保證了橫向和航向運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。XinpingBao等設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)航向控制，并大幅度減少橫搖運(yùn)動(dòng)。
4、載體總體設(shè)計(jì)與集成
無人水面艇涉及眾多的技術(shù)領(lǐng)域，如何依據(jù)用戶需求設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)布局、通信協(xié)議、軟件模塊，是決定無人艇研制是否成功的關(guān)鍵因素，成為無人艇總體設(shè)計(jì)重要的研究?jī)?nèi)容。在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，面臨將測(cè)繪設(shè)備與無人艇艇體作為一個(gè)整體進(jìn)行水流氣泡對(duì)測(cè)量設(shè)備的影響性分析以及測(cè)量設(shè)備振動(dòng)水平的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)；在傳感器選型時(shí)，需研究進(jìn)行誤差建模，根據(jù)誤差傳播規(guī)律及其對(duì)測(cè)量精度的影響程度選擇合適精度的設(shè)備，避免因?yàn)槟骋辉O(shè)備選型不合適而影響整體性能；在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，安裝支架采用模塊化、可升降式結(jié)構(gòu)，方便不同設(shè)備的搭載，同時(shí)又可實(shí)現(xiàn)工作時(shí)通過可升降式結(jié)構(gòu)使測(cè)量設(shè)備達(dá)到指定的水深，不工作時(shí)回收至倉(cāng)內(nèi)部，減少航行阻力，提高航行速度；在數(shù)據(jù)傳輸上，需要確保無人艇上的各種設(shè)備和傳感器信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性，要考慮不同設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟煌?，?gòu)建不同傳輸網(wǎng)絡(luò)。因此，載體設(shè)計(jì)與集成技術(shù)尤為關(guān)鍵。
5、環(huán)境感知技術(shù)
無人艇環(huán)境感知主要包括3個(gè)方面:風(fēng)、海流、靜態(tài)物體和動(dòng)態(tài)物體的感知，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)目標(biāo)的感知?jiǎng)t主要用于路徑規(guī)劃及自主避障。目前應(yīng)用于上述環(huán)境感知的設(shè)備包括風(fēng)速風(fēng)向儀和ADCP、電子海圖、AIS、雷達(dá)、可見光與紅外設(shè)備等。每種設(shè)備具有特定的使用場(chǎng)合，僅憑一種傳感器是無法滿足海上復(fù)雜目標(biāo)的探測(cè)需要，多傳感器使用及信息融合已成為解決探測(cè)海上多樣的障礙物目標(biāo)的一種有效途徑。在用于避障的環(huán)境探測(cè)方面，可依據(jù)不同傳感器的探測(cè)距離，使用分層避障模型，在遠(yuǎn)、中、近距離選擇合適的傳感器探測(cè)結(jié)果作為避障信息。
6、無線電通信技術(shù)
針對(duì)于無人艇無線通信的最根本挑戰(zhàn)是無線電波的多徑干擾。因?yàn)闊o人艇天線高度一般不高，貼近水面，發(fā)射的無線電波通過海浪、島嶼、船舶障礙物之間，其接收信號(hào)的強(qiáng)度，將由各直射波和反射波疊加合成。多徑效應(yīng)會(huì)引起信號(hào)衰減。隨著無人艇在測(cè)繪領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，必要時(shí)需要遠(yuǎn)程實(shí)施多波束三維地形圖像傳輸，對(duì)通信帶寬提出更高的要求。因此，在無人船艇的通信中重點(diǎn)解決高寬帶傳輸以及超高頻擴(kuò)頻通信信號(hào)的海上傳輸抗衰耗技術(shù)、抗多普勒頻移技術(shù)和抗多種干擾技術(shù)問題。
7、自主規(guī)劃與控制
路徑自主規(guī)劃與控制體現(xiàn)在無人艇路徑規(guī)劃中的環(huán)境建模問題，難以獲得準(zhǔn)確加入風(fēng)、浪和流等外界因素的干擾。在無人艇遇到他船時(shí)，在采取避讓行動(dòng)時(shí)應(yīng)考慮無人艇碰撞危險(xiǎn)度問題，但是目前并無權(quán)威的無人艇碰撞危險(xiǎn)度模型。因此，開發(fā)人員應(yīng)通過模擬、實(shí)測(cè)和咨詢專家等方式獲取比較可靠的風(fēng)、浪和流數(shù)據(jù)，將獲得的數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)可以參考現(xiàn)有船舶的碰撞危險(xiǎn)度，根據(jù)無人艇的實(shí)際情況，構(gòu)建無人艇碰撞危險(xiǎn)度。無人艇在自主避碰的過程中，要根據(jù)復(fù)雜的海洋狀況靈活的制定遇到突發(fā)性狀況的應(yīng)對(duì)方案，同時(shí)還要考慮無人艇自身的結(jié)構(gòu)特征以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)規(guī)律，所采取的避碰策略要遵循《國(guó)際海上避碰規(guī)則》。
8、釋放回收
對(duì)于無人艇而言，回收系統(tǒng)是否穩(wěn)定高效，限制了無人艇的應(yīng)用場(chǎng)景。當(dāng)前常用的吊放回收系統(tǒng)通常利用母艦的吊架，對(duì)無人艇進(jìn)行起降操作。這個(gè)方法有很大的局限性，只適用于海況良好，航速很低的條件下，且需要大量人員參與(操縱吊放系統(tǒng))，效率低還伴有危險(xiǎn)，而且限制了無人艇的應(yīng)用場(chǎng)景。目前，無人艇吊放回收系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)有如何在更復(fù)雜的海況下實(shí)現(xiàn)吊放回收，如何模塊化以方便母艇子艇的對(duì)接等。目前，美國(guó)在USV布放回收系統(tǒng)方面已有深厚的技術(shù)積累。美國(guó)海軍、美國(guó)物理科學(xué)公司和密歇根州航空公司開發(fā)了相應(yīng)的無人艇回收系統(tǒng)，已可實(shí)際應(yīng)用。孫昊等研制出自動(dòng)導(dǎo)引掛接起吊回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用吊臂纜卡鎖結(jié)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)對(duì)無人遙控測(cè)量艇的自動(dòng)回收。
1、測(cè)量一體化、智能化水平
目前，測(cè)量無人艇系統(tǒng)在開發(fā)設(shè)計(jì)中常常是無人艇和測(cè)量設(shè)備簡(jiǎn)單地結(jié)合，一體化集成程度低，系統(tǒng)包含無人艇系統(tǒng)軟件和測(cè)量設(shè)備系統(tǒng)軟件，在測(cè)量作業(yè)過程中常是無人艇的航行由無人艇系統(tǒng)軟件完成，測(cè)量過程由測(cè)量系統(tǒng)軟件完成。確保多源設(shè)備邊采集邊控制，采集過程可視化，采集所見即所得就顯得尤其的必要。
測(cè)量無人艇系統(tǒng)在數(shù)據(jù)后處理、三維電子地形圖生成等一系列操作過程中，智能化水平仍然不高，很多操作還需要人為參與進(jìn)行判斷，這勢(shì)必嚴(yán)重影響著水陸測(cè)量一體化向智能化邁進(jìn)。測(cè)量無人艇系統(tǒng)配備智能化的數(shù)據(jù)處理軟件，將最大限度的提高一體化測(cè)量效率，減少人員的投入，也是現(xiàn)代化測(cè)繪方法及儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。
2、無人艇水陸一體化測(cè)量技術(shù)
船載多傳感器水岸一體化綜合測(cè)量技術(shù)是近年來的一項(xiàng)新技術(shù)，通過統(tǒng)一測(cè)量坐標(biāo)系，避免由于水上、水下部分測(cè)量造成的地形拼接問題，工作效率和測(cè)量精度能夠達(dá)到相應(yīng)的規(guī)范要求。無人艇與船載水陸一體化測(cè)量技術(shù)的完美結(jié)合將能夠提供一套高效、安全、可靠的測(cè)量技術(shù)方案，同時(shí)拓寬了測(cè)量的應(yīng)用范圍。
3、組網(wǎng)測(cè)繪
無人水面測(cè)量艇有效編隊(duì)作業(yè)能力成為了海洋測(cè)繪裝備研究的發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)熱點(diǎn)，將有效解決現(xiàn)有測(cè)量船作業(yè)能力限制，成倍增加測(cè)繪效率，拓寬作業(yè)內(nèi)容。汪連賀提出測(cè)控一體化軟件設(shè)計(jì)方案，實(shí)艇驗(yàn)證了在此方案支持下的無人水面艇組網(wǎng)測(cè)量模式具有很強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性和高效性，極大地提高測(cè)量部門的作業(yè)效率和淺水區(qū)域的測(cè)繪數(shù)據(jù)獲取能力。
通過對(duì)國(guó)內(nèi)外測(cè)繪無人艇技術(shù)現(xiàn)狀的分析和總結(jié)發(fā)現(xiàn)，測(cè)量無人艇已成為海洋測(cè)繪的一個(gè)主要承載載體，在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用單位得到越來越廣泛的應(yīng)用。相比國(guó)外無人艇，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品在可靠性、自主化程度仍然有較大的不足，需要重點(diǎn)攻克環(huán)境信息傳感器及其融合技術(shù)、面向任務(wù)的決策技術(shù)以及智能無人艇運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。人工智能方法具有快速尋優(yōu)的優(yōu)點(diǎn)，已在建模、數(shù)字信號(hào)和圖像處理等方面得到了廣泛的應(yīng)用，在解決無人艇路徑規(guī)劃、自動(dòng)控制、任務(wù)決策、復(fù)雜信息融合處理等問題將發(fā)揮著重要作用，是提高無人艇自主化程度的一個(gè)有效途徑。
【作者簡(jiǎn)介】文/張京晶 萬宇婷，均來自海軍工程大學(xué)兵器工程學(xué)院。第一作者張京晶，1979年出生，女，江蘇南通人，工程師，博士，主要從事系統(tǒng)工程研究。文章來自《海洋測(cè)繪》（2020年第4期），參考文獻(xiàn)略，用于學(xué)習(xí)與交流，版權(quán)歸作者及出版社共同擁有。
