来源：“溪流之海洋人生”订阅号
2020-10-22
分享到在现代海洋高新技术的介入和支撑下，出现了许多新的探测手段，特别是以无人水面舰船(USV)为代表的各种无人搭载平台，在未来海洋环境场建设中扮演越来越重要的角色。以无人艇为载体的海洋测量是目前的研究热点，国内外多家科研单位开展了无人水面测量艇的研制和试验，通过搭载测深设备实现海底地形测量，国外比较具有代表性的有法国ECA公司、英国ASV无人水面船公司、美国SeaRobotics公司，国内主要以北京海兰信数据科技股份有限公司、上海大学、国家海洋局等科研单位为主。
面对基于无人水面舰船的新型探测手段，有必要系统分析目前的研究现状，归纳总结关键技术供后续研究参考。本文详细阐述了国内外测量无人艇的研制和开发现状，分析了测量无人艇关键技术，并指出测量无人艇未来的发展方向。
⒈测量艇型技术规格
到目前为止，世界上出现了多型USV，最具有代表意义的是法国ECA公司的“InspectorMK2”号USV、英国ASV公司的“C-CAT4”号USV、美国SeaRobotics公司研发了UV-2600等。对国内外主要典型无人艇进行统计见表1。
表1归纳总结了当前国内外无人测量船(艇)的技术规格一览表，可以看出，船只主要技术参数相近，分析如下。
⑴船体长度与应用环境和运载平台相关。内河内湖水况较为平静，无需过多考虑跨浪问题，结合运输便利性和吃水深度，船体尺度一般设计在4m以下，而海上作业需要考虑浪涌条件下的船舶稳性问题，同时要兼顾测量船的携带能力，船体长度一般在4～10m之间。
⑵由于过高航速会影响测绘应用的声学仪器的工作性能，所以无人测量船作业航行速度大部分在6～10kn之间。
⑶由于微型船船型设计能力有限，无人船的研制多是从有人艇型改造而来，船体大部分使用单体船，少数使用双体船。无人测量船作业对航速要求不高、对抗浪形和稳性要求较高的特点，未来会更多地出现双体艇或M型仿三体艇。
⑷推进方式多为涵道电力推进器或与柴油泵喷式推进器复合使用，主要原因是电力推进器的静音效果可以减少对测绘仪器声波发射与回收的干扰，如需具备快速抵近功能，可采用混合动力方式。
⑸测绘无人艇现有的控制方式主要受限于通信能力和感知能力带来的智能化程度不足。目前的测绘艇控制方式主要包括遥控、自动和手动3种，通常使用无人驾驶遥控及自动两种方式切换的控制方式。
⑹多波束等声学测绘仪器的工作原理限制传统的测量船地形测绘作业海况可在2～3级海况下操作，无人测量船的作业同样受到这个因素限制，多集中在低海况。无人化作业模式需要应对海况突发情况，所以往往要求具有较强的生存能力，7～10m艇型的生存能力设计均可达到5级海况。
⒉国内外技术差距分析及需要重点攻克的技术
虽然国内无人艇技术已取得长足的进步，然而国内无人艇在产品系列化、应用水平、自主程度仍显不足。ASV公司的产品已系列化，包括C-Worker(6型)、C-CAT(3型)、C-Enduro、C-Sweep、C-Stat、C-Target(4型)等6个系列，共16个型号，可满足不同海况、不同作业场景、不同用途的作业需求。据统计，ASV公司的产品已销往10个国家，包括40家客户、70套无人艇产品，截至2016年10月26日，ASV公司的无人水面艇已经达到累计使用1000天，产品得到大量客户的广泛使用和意见反馈。由于国内无人艇技术发展较晚，无人艇市场仍未成熟，尚未形成产品应用与研发相互促进的市场环境，因此，研究单位和企业的无人艇产品类型单一、应用面窄，产品仍未经受用户长期使用的考验，可靠性及应用水平仍有待提高。美国在无人艇自主技术研究属国际领先，自主等级为L4级，为应用驱动的大多数场景自动化，而国内自主技术只能达到L2级，属于半自动化，为包含避障的路径导航。
自主化水平的提高需要更先进的信号处理、决策和自动控制技术的支持，因此国内在提高无人艇自主化水平时需要重点攻克环境信息传感器及其融合技术、面向任务的决策技术以及智能无人艇运动控制技术。
⒊推进方式优缺点比较
常用的无人艇推进方式主要是喷水式推进器和螺旋桨推进器(含涵道电力推进)两种方式，其优缺点对比分析见表2。
1、测量艇型技术
一方面，目前测量艇型主要基于高速艇型开发的，具有重航行(低阻力、低能耗)、轻测量(振动大、易生气泡)性能的问题；另外一方面，测量无人艇航行过程中，碎波、水花等在船首水线附近的水中避免不了的产生很多气泡，而气泡会吸收声波甚至反射声波，这样将会干扰无人测量艇搭载的多波束等声学设备的正常工作。针对这个问题测量无人艇的型线设计需要特殊处理，测量无人艇型线设计除了要降低艇体与水的摩擦力，还要减少下泄至多波束等声学设备导流罩底部的气泡数目。所以摩擦力和防气泡指标是评价型线合理与否的最主要的两条标准。张亚使用CFD技术预报实船阻力性能，采用流线分析法预报线型的防气泡性能，获得理想的船首和多波束导流罩线型。
2、航行/测绘一体化技术
常规测量无人艇的航行任务与测绘作业分开操纵和控制，航行任务由航行控制软件操纵，测绘任务由测绘作业软件控制，航行功能与作业功能分离。航行控制软件侧重航行功能开发，一般不具备测线规划功能，难以进行测绘作业设计；测绘软件可以进行测线规划、测线作业等，但与航行软件无接口，无法将测线规划结果转化为航行软件可接受的数据格式后驱动无人艇航行。测量无人艇的测绘航行一体化技术，可以实现测绘规划数据直接驱动无人艇航行，对于提高测量仪器作业效率，提高仪器和无人艇兼容性等方面有着重要的作用。汪连贺提出了测控一体化方案，极大地提高测量部分的作业效率和能力。
3、面向测绘作业的自动控制技术
测绘对无人艇的理想要求是横向和航向的稳定性。然而测量无人艇在水况变化莫测的水域行驶，常面临风浪、天气突变等外界环境因素对无人艇姿态造成干扰，影响数据质量。因此需要测量无人艇的自动控制模块具有很强的抗干扰性，能够在风浪条件下和运动状态改变时保持平稳。目前投入使用的测量无人艇常用的增强艇体的稳定性和耐波性的方式是调整船体的外形，但在控制方面，还有很大的提升空间，所以自动控制技术已经成为测量无人艇的关键技术之一。测量无人艇控制技术中需要解决的问题是保证运动过程中横向和航向的稳定性，对此有诸多研究人员提出了解决方法。Kumarawadu等设计了速度控制器，并保证了横向和航向运动的稳定性。XinpingBao等设计了运动控制系统，并实验验证该系统能够精准实现航向控制，并大幅度减少横摇运动。
4、载体总体设计与集成
无人水面艇涉及众多的技术领域，如何依据用户需求设计合理的结构布局、通信协议、软件模块，是决定无人艇研制是否成功的关键因素，成为无人艇总体设计重要的研究内容。在设计计算时，面临将测绘设备与无人艇艇体作为一个整体进行水流气泡对测量设备的影响性分析以及测量设备振动水平的准确预报；在传感器选型时，需研究进行误差建模，根据误差传播规律及其对测量精度的影响程度选择合适精度的设备，避免因为某一设备选型不合适而影响整体性能；在结构设计上，安装支架采用模块化、可升降式结构，方便不同设备的搭载，同时又可实现工作时通过可升降式结构使测量设备达到指定的水深，不工作时回收至仓内部，减少航行阻力，提高航行速度；在数据传输上，需要确保无人艇上的各种设备和传感器信息数据传输的实时性和可靠性，要考虑不同设备对数据传输的不同要求，构建不同传输网络。因此，载体设计与集成技术尤为关键。
5、环境感知技术
无人艇环境感知主要包括3个方面:风、海流、静态物体和动态物体的感知，静态和动态目标的感知则主要用于路径规划及自主避障。目前应用于上述环境感知的设备包括风速风向仪和ADCP、电子海图、AIS、雷达、可见光与红外设备等。每种设备具有特定的使用场合，仅凭一种传感器是无法满足海上复杂目标的探测需要，多传感器使用及信息融合已成为解决探测海上多样的障碍物目标的一种有效途径。在用于避障的环境探测方面，可依据不同传感器的探测距离，使用分层避障模型，在远、中、近距离选择合适的传感器探测结果作为避障信息。
6、无线电通信技术
针对于无人艇无线通信的最根本挑战是无线电波的多径干扰。因为无人艇天线高度一般不高，贴近水面，发射的无线电波通过海浪、岛屿、船舶障碍物之间，其接收信号的强度，将由各直射波和反射波叠加合成。多径效应会引起信号衰减。随着无人艇在测绘领域的广泛应用，必要时需要远程实施多波束三维地形图像传输，对通信带宽提出更高的要求。因此，在无人船艇的通信中重点解决高宽带传输以及超高频扩频通信信号的海上传输抗衰耗技术、抗多普勒频移技术和抗多种干扰技术问题。
7、自主规划与控制
路径自主规划与控制体现在无人艇路径规划中的环境建模问题，难以获得准确加入风、浪和流等外界因素的干扰。在无人艇遇到他船时，在采取避让行动时应考虑无人艇碰撞危险度问题，但是目前并无权威的无人艇碰撞危险度模型。因此，开发人员应通过模拟、实测和咨询专家等方式获取比较可靠的风、浪和流数据，将获得的数据对模型进行验证，同时可以参考现有船舶的碰撞危险度，根据无人艇的实际情况，构建无人艇碰撞危险度。无人艇在自主避碰的过程中，要根据复杂的海洋状况灵活的制定遇到突发性状况的应对方案，同时还要考虑无人艇自身的结构特征以及运动状态规律，所采取的避碰策略要遵循《国际海上避碰规则》。
8、释放回收
对于无人艇而言，回收系统是否稳定高效，限制了无人艇的应用场景。当前常用的吊放回收系统通常利用母舰的吊架，对无人艇进行起降操作。这个方法有很大的局限性，只适用于海况良好，航速很低的条件下，且需要大量人员参与(操纵吊放系统)，效率低还伴有危险，而且限制了无人艇的应用场景。目前，无人艇吊放回收系统面临的挑战有如何在更复杂的海况下实现吊放回收，如何模块化以方便母艇子艇的对接等。目前，美国在USV布放回收系统方面已有深厚的技术积累。美国海军、美国物理科学公司和密歇根州航空公司开发了相应的无人艇回收系统，已可实际应用。孙昊等研制出自动导引挂接起吊回收系统，该系统利用吊臂缆卡锁结构件实现对无人遥控测量艇的自动回收。
1、测量一体化、智能化水平
目前，测量无人艇系统在开发设计中常常是无人艇和测量设备简单地结合，一体化集成程度低，系统包含无人艇系统软件和测量设备系统软件，在测量作业过程中常是无人艇的航行由无人艇系统软件完成，测量过程由测量系统软件完成。确保多源设备边采集边控制，采集过程可视化，采集所见即所得就显得尤其的必要。
测量无人艇系统在数据后处理、三维电子地形图生成等一系列操作过程中，智能化水平仍然不高，很多操作还需要人为参与进行判断，这势必严重影响着水陆测量一体化向智能化迈进。测量无人艇系统配备智能化的数据处理软件，将最大限度的提高一体化测量效率，减少人员的投入，也是现代化测绘方法及仪器发展的一个重要方向。
2、无人艇水陆一体化测量技术
船载多传感器水岸一体化综合测量技术是近年来的一项新技术，通过统一测量坐标系，避免由于水上、水下部分测量造成的地形拼接问题，工作效率和测量精度能够达到相应的规范要求。无人艇与船载水陆一体化测量技术的完美结合将能够提供一套高效、安全、可靠的测量技术方案，同时拓宽了测量的应用范围。
3、组网测绘
无人水面测量艇有效编队作业能力成为了海洋测绘装备研究的发展趋势和技术热点，将有效解决现有测量船作业能力限制，成倍增加测绘效率，拓宽作业内容。汪连贺提出测控一体化软件设计方案，实艇验证了在此方案支持下的无人水面艇组网测量模式具有很强的机动性和高效性，极大地提高测量部门的作业效率和浅水区域的测绘数据获取能力。
通过对国内外测绘无人艇技术现状的分析和总结发现，测量无人艇已成为海洋测绘的一个主要承载载体，在国内外应用单位得到越来越广泛的应用。相比国外无人艇，国内产品在可靠性、自主化程度仍然有较大的不足，需要重点攻克环境信息传感器及其融合技术、面向任务的决策技术以及智能无人艇运动控制技术。人工智能方法具有快速寻优的优点，已在建模、数字信号和图像处理等方面得到了广泛的应用，在解决无人艇路径规划、自动控制、任务决策、复杂信息融合处理等问题将发挥着重要作用，是提高无人艇自主化程度的一个有效途径。
【作者简介】文/张京晶 万宇婷，均来自海军工程大学兵器工程学院。第一作者张京晶，1979年出生，女，江苏南通人，工程师，博士，主要从事系统工程研究。文章来自《海洋测绘》（2020年第4期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有。
