無人船艇系統(tǒng)，對外與岸基主控系統(tǒng)、領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行信息交互，對內(nèi)實(shí)施對艇體平臺、任務(wù)載荷的控制。無人船艇系統(tǒng)包括各類傳感器、通信、航行控制、岸基控制分系統(tǒng)。
多重感知，智能分析，動態(tài)規(guī)劃決策，精準(zhǔn)控制
無人船艇實(shí)現(xiàn)自主感知、自主航行，首先要適應(yīng)海洋環(huán)境特點(diǎn)，遵循相關(guān)海事規(guī)則。此外，無人裝備能夠長期在海上執(zhí)行任務(wù)，主動力等船載設(shè)備要有比較高的可靠性，以及一定的健康診斷、故障自主處理能力；持續(xù)暢通的通信也是無人艇完成任務(wù)的基本保障，特別是在遠(yuǎn)離岸基的大洋深處，衛(wèi)星通信是必備手段。
這些能力的形成，需要依托傳統(tǒng)的船舶導(dǎo)航、通信、動力、作戰(zhàn)系統(tǒng)，加上智能感知、規(guī)劃決策、自動控制等方面的最新成果，構(gòu)成一個完整的從觀察到思考，再到執(zhí)行和反饋的完整鏈路。
三大系統(tǒng)，即船體平臺、無人系統(tǒng)、任務(wù)載荷。
無人系統(tǒng)，對外與有人系統(tǒng)、周邊環(huán)境進(jìn)行信息交互，對內(nèi)實(shí)施對艇體平臺、任務(wù)載荷的控制。無人系統(tǒng)包括各類傳感器、通信、航行控制、岸基控制分系統(tǒng)。
與自主航行直接相關(guān)的航行控制分系統(tǒng)又是無人系統(tǒng)的核心，它分為三個部分：
制導(dǎo)系統(tǒng)（Guidance system）。這個詞借用導(dǎo)彈技術(shù)，主要是根據(jù)分配的任務(wù)、環(huán)境條件，以及導(dǎo)航信息，為船舶提供穩(wěn)定、連續(xù)、優(yōu)化的航行軌跡。
導(dǎo)航系統(tǒng)（Navigation system）。提供船舶的位置、航向、航速、加速度等實(shí)時的信息，感知周邊態(tài)勢。信息源來自艇上的各類傳感器，如導(dǎo)航雷達(dá)、陀螺、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、聲吶、海流風(fēng)流測量等等。
控制系統(tǒng)（Control System）。根據(jù)制導(dǎo)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)提供的指令信息，對船舶航行實(shí)施自動控制，主要通過對主機(jī)、舵的控制。如果需要完成相關(guān)作戰(zhàn)任務(wù)，需要具備對相關(guān)任務(wù)平臺的遠(yuǎn)程控制能力。比如，水聲通訊、水下搜索，水上水下目標(biāo)打擊等。
全局路徑規(guī)劃：受生物學(xué)啟發(fā)產(chǎn)生的進(jìn)化算法（Evolutionary algorithm），代表著人工智能技術(shù)在路徑規(guī)劃中的應(yīng)用。遺傳算法是迄今使用最為廣泛的路徑搜索方法。由于對計(jì)算資源消耗大，當(dāng)遇到障礙物或者其他變化條件的時候，對應(yīng)用的實(shí)時性有一定影響。啟發(fā)式搜索算法（Heuristic search algorithms）也在不斷演化，改進(jìn)的A?算法2012年之后應(yīng)用在電子海圖中搜索最優(yōu)路徑上?，F(xiàn)有的全局路徑算法都比較耗時，通常不太適合實(shí)時性較強(qiáng)、環(huán)境動態(tài)變化較大的應(yīng)用場景。
局部路徑規(guī)劃：視線法（Line of sight）在導(dǎo)彈制導(dǎo)中得到成功應(yīng)用，對無人艇也同樣有效，其原理是船的航向始終瞄著目標(biāo)點(diǎn)，以此修正風(fēng)流海流引起的偏差。勢能法（Potential fields）計(jì)算量小，在實(shí)時計(jì)算上效果較好，它類似于磁鐵，船舶和要到達(dá)的目標(biāo)之間相互吸引，對于障礙物相互排斥，由此來形成局部最短路徑。為確保無人艇航行路線的安全和效率，采用了全局和局部路徑規(guī)劃相結(jié)合的方法。部分算法采用復(fù)雜架構(gòu)，比如先用迪杰斯特拉算法計(jì)算全局路徑，在此基礎(chǔ)上，局部采用A?算法計(jì)算臨近水域航行路線。
路徑實(shí)時調(diào)整：統(tǒng)計(jì)顯示，海上事故傷亡60%是因?yàn)榕鲎病Ｄ壳氨芘鲅芯恐饕性诤Ｃ婺繕?biāo)，比如船舶、島礁等。對水下障礙物，如暗礁、淺灘等的自主避碰問題研究才剛剛起步，已經(jīng)有研究院所采用主動聲吶開展測試和算法分析。海上碰撞事故中56%是因?yàn)檫`反國際海上避碰規(guī)則（International Regulations for Preventing Collisions at Sea）。無人艇要走向遠(yuǎn)海，必須要深入研究避碰規(guī)則，包括船舶超越、相向航行、航路交叉的規(guī)則要求，在算法上盡可能多考慮各種多樣場景。
導(dǎo)航系統(tǒng)包括慣性導(dǎo)航、GPS、水聲、導(dǎo)航雷達(dá)、測深儀、光學(xué)設(shè)備等。這些設(shè)備在無人艇導(dǎo)航定位上都各有優(yōu)劣。通常都是聯(lián)合使用，以提高精度，降低誤差。采用多傳感器數(shù)據(jù)融合的方法有助于導(dǎo)航，是提高效率的最佳方式，因?yàn)橐焖偬嵘龁雾?xiàng)傳感器技術(shù)比較難，這和現(xiàn)有艦船的組合導(dǎo)航原理是一樣的。
主要傳感器優(yōu)缺點(diǎn)如下。
導(dǎo)航雷達(dá): 是傳統(tǒng)船舶30海里內(nèi)遠(yuǎn)距離探測的主要工具，能夠提供全天候、全域的圖像，具有高分辨率和精確度。缺陷是對快速回轉(zhuǎn)目標(biāo)準(zhǔn)確度受一定影響，對小型動態(tài)目標(biāo)探測能力有限。對于無人艇而言，由于雷達(dá)高度低，一般距水面2米，對7米小型無人艇的發(fā)現(xiàn)距離一般在3海里左右。如兩艘無人艇以30節(jié)的速度相向而行，從發(fā)現(xiàn)到目標(biāo)相遇的時間只有3分鐘。如果海況惡劣，浪高大，海雜波影響顯著，探測距離將進(jìn)一步降低。
激光雷達(dá)：激光雷達(dá)廣泛應(yīng)用在無人駕駛汽車測試研究，它在近距離目標(biāo)探測上比較有效，探測深度和精度高。我們在工信部智能船舶2.0項(xiàng)目《船舶航行態(tài)勢智能感知系統(tǒng)研制》中，采用了包括遠(yuǎn)程激光掃描成像雷達(dá)（探測距離200米到2海里）、詳查激光雷達(dá)（多源光電跟蹤系統(tǒng)，與變焦可見光、紅外成像集成，實(shí)現(xiàn)對500米以內(nèi)微小、暗弱目標(biāo)觀察）、多普勒測速激光雷達(dá)（在靠泊提供高精度的接近速度）的組合方案。激光海上應(yīng)用的主要問題是受海上環(huán)境、以及艇體運(yùn)動影響大，特別是海上起霧或雨雪的時候。此外，激光雷達(dá)價格較高，車用激光雷達(dá)單價2萬美元。
視覺傳感器：視覺傳感器是目前無人汽車最主要的感知手段，也在智能船、無人艇項(xiàng)目中廣泛應(yīng)用。采用熱成像和可見光全景成像融合技術(shù)，生成無人艇前方和周邊障礙物的縱深視圖，將為未來無人艇在各種氣象、海況下的視覺感知，提供解決方案。無人艇由于運(yùn)動幅值大，海上使用需要重點(diǎn)解決圖像穩(wěn)定、去霧問題。比如，采用穩(wěn)定云臺和圖像穩(wěn)定算法，采用圖像去霧處理算法等。在此基礎(chǔ)上，采用人工智能圖像識別技術(shù)，識別和跟蹤目標(biāo)。
聲吶：聲吶是唯一的無人艇水下目標(biāo)探測手段，對水下目標(biāo)有高的分辨率和精確性，存在問題是每次掃描探測范圍有限，且易受水面噪聲影響。聲吶圖像的實(shí)時解析處理，也是一個難題。在復(fù)雜水底地貌環(huán)境中，依據(jù)聲吶圖像，自動準(zhǔn)確地識別出水下目標(biāo)或是障礙物，并考慮潮汐影響，不但需要復(fù)雜的算法，還需要大量的機(jī)器學(xué)習(xí)圖像數(shù)據(jù)。離技術(shù)成熟還有很長的路要走。
傳感器解決的是眼睛的問題。練就火眼金睛，不單要充分利用艦船導(dǎo)航已有成果，還要借鑒無人駕駛汽車、無人機(jī)等方面的技術(shù)突破。
船舶運(yùn)動具有非線性、大時滯、大慣性的特點(diǎn)，又易受風(fēng)、浪、流等干擾，其運(yùn)動控制本質(zhì)上是復(fù)雜非線性、不確定性系統(tǒng)的控制。水面艦船僅依靠螺旋槳和舵進(jìn)行操控，由轉(zhuǎn)舵力矩和螺旋槳縱向推力，同時控制船舶水平面位置和航向角3個自由度運(yùn)動，屬于欠驅(qū)動系統(tǒng)。
為利于工程實(shí)現(xiàn)，大多數(shù)船舶控制系統(tǒng)采用了理想化的線性數(shù)學(xué)模型。實(shí)際上，船舶的水動力系數(shù)往往隨環(huán)境和時間而變化，事先不容易獲得精確的數(shù)值。近年來，很多新的魯棒控制理論被運(yùn)用于船舶運(yùn)動控制，但綜合考慮風(fēng)浪流干擾等因素的控制系統(tǒng)，至今沒有比較好的解決方案。特別在高海況下，由于各種擾動的耦合，流體阻尼，測量誤差增大，精確控制的難度較大。無人艇由于排水量小，航速高，高海況下運(yùn)動幅度遠(yuǎn)大于有人艦船，操控難度更大。具體表現(xiàn)在，高于3級海況后，失速明顯，航向角保持困難，航線與預(yù)定軌跡產(chǎn)生較大的偏離。所以，需要研究適應(yīng)不同海況的控制模型，才能實(shí)現(xiàn)對無人艇的精準(zhǔn)控制。
通信系統(tǒng)的重要性，在海上無人裝備體現(xiàn)得越來越明顯。無人船艇和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)之間存在無時不在、緊密的聯(lián)系。通信的中斷，意味著無人艇如斷線風(fēng)箏一樣，可能從此失聯(lián)。因此，一般出現(xiàn)通信問題的時候，出于安全考慮，首先策略是停機(jī)，讓無人艇處于自由漂泊狀態(tài)，等待通信恢復(fù)。無人艇還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒達(dá)到自主尋找回家路的階段。某種意義上說，可靠通信的范圍，就是無人艇執(zhí)行各種任務(wù)的最大范圍。美國“海獵手”無人艇能夠?qū)崿F(xiàn)自主跨洋航行，其無所不在的空天、海洋通信網(wǎng)絡(luò)，起到了非常關(guān)鍵的作用。
挑戰(zhàn)賽中，海上、湖上通信問題頻發(fā)，主要和競賽各艇隊(duì)之間強(qiáng)烈的電磁同頻干擾有關(guān)。此外，通信受環(huán)境影響大，周邊建筑或山包阻擋，通信波束海面反射和大氣散射等因素，使得實(shí)際通信距離比在空曠、干凈的陸上環(huán)境下測試結(jié)果要低得多。
傳統(tǒng)船舶通信時，海上無線通信、衛(wèi)星通信和岸基移動通信共同構(gòu)成海洋通信網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)信息傳輸。海上無線電通信網(wǎng)絡(luò)的成本較低,但覆蓋范圍有限;海洋衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)能夠提供全球覆蓋,但價格昂貴且通信速率低;蜂窩網(wǎng)拓展到海洋應(yīng)用能提供高速率、低價格的通信服務(wù),但覆蓋范圍又非常小。現(xiàn)階段，無人艇主要采用無線電通信，重點(diǎn)是解決好10海里內(nèi)5M以上帶寬的可靠通信問題，保障通信具備強(qiáng)的抗干擾性；同時，要考慮無人艇在弱通信條件下，應(yīng)具備依托船載傳感器和計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)一定時間內(nèi)安全、自主的航行保障能力。對于中大型無人艇，需要提前研究遠(yuǎn)海通信體系對于無人艇的適用性問題。
此外，由于船舶和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)之間的緊密通信聯(lián)系，網(wǎng)絡(luò)的安全性非常重要。所有的遠(yuǎn)程遙控設(shè)施和相關(guān)船載系統(tǒng)都要考慮網(wǎng)絡(luò)安全問題?？偟脑瓌t是設(shè)置網(wǎng)絡(luò)安全深度防御機(jī)制，通過多層網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，對網(wǎng)絡(luò)侵害行為進(jìn)行阻止、辨識防范，降低網(wǎng)絡(luò)安全問題對系統(tǒng)的損壞。
作者簡介：若谷，德國stuttgart大學(xué)自動駕駛博士，擅長利用數(shù)學(xué)物理模型，來描述生活現(xiàn)象和攻克專業(yè)目標(biāo)。目前，在廣州天河創(chuàng)業(yè)，主攻自動駕駛輔助系統(tǒng)。工作之余，撰寫《自動駕駛》專欄，跑馬拉松，自駕旅游。著有《青少年信息學(xué)奧賽實(shí)踐指南》（已出版），正在編寫《自動駕駛---物聯(lián)·感知·控制》。
