馬天宇，楊松林，王濤濤，辛 磊，陳 燚

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

多USV協(xié)同系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展概述

馬天宇，楊松林，王濤濤，辛 磊，陳 燚

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

無(wú)人水面艇(Unmanned Surface Vehicle，USV)具有較高的智能化程度，較好的隱身性能，較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)能力以及較低的造價(jià)，被認(rèn)為是一種作戰(zhàn)用途廣泛的新概念武器。在無(wú)人駕駛運(yùn)載工具中，USV發(fā)展相對(duì)較晚，但已逐漸成為一個(gè)研究熱點(diǎn)課題。文中簡(jiǎn)述目前國(guó)內(nèi)外USV的研究情況；重點(diǎn)介紹多USV協(xié)同系統(tǒng)的現(xiàn)狀；闡述高性能艇型、控制體系、通信技術(shù)、避碰、任務(wù)規(guī)劃與決策5項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)；提出未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)；展望多USV協(xié)同系統(tǒng)在海上補(bǔ)給、水上安全保護(hù)、完善無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)、水文氣象信息采集和水面搜救方面的應(yīng)用前景。

無(wú)人水面艇；多USV；協(xié)同系統(tǒng)；無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)；高性能艇型

0 引 言

無(wú)人水面艇也稱水面無(wú)人艇及水面機(jī)器人，是一種無(wú)人操作的水面艦艇，主要用于執(zhí)行危險(xiǎn)以及不適于有人船只執(zhí)行的任務(wù)。二戰(zhàn)時(shí)期，無(wú)人水面艇曾被作為火炮和靶船。直到20世紀(jì)90年代，關(guān)于USV項(xiàng)目的研究才開(kāi)始大量出現(xiàn)。在眾多無(wú)人駕駛運(yùn)載工具中，無(wú)人機(jī)(UAV)的發(fā)展應(yīng)用較為成熟，無(wú)人地面車(chē)輛(UGA)和無(wú)人水下艇(UUV)次之，而無(wú)人水面艇(USV)的發(fā)展相對(duì)較晚。由于具有較高的智能化程度，較好的隱身性能，較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)能力以及較低的造價(jià)，USV被認(rèn)為是一種作戰(zhàn)用途廣泛的新概念武器[1]。2001年，美國(guó)海軍提出利用USV，UUV和UAV共同構(gòu)成其瀕海戰(zhàn)斗艦(LCS)的無(wú)人作戰(zhàn)體系，完成情報(bào)收集、反潛、反水雷、偵察與探測(cè)、精確打擊等作戰(zhàn)任務(wù)[2]。然而，面對(duì)動(dòng)態(tài)復(fù)雜的環(huán)境、不可預(yù)知的潛在危險(xiǎn)和多樣化的任務(wù)使命，單一USV受限于自身搭載的有限的載荷與系統(tǒng)，顯得勢(shì)單力薄。與此同時(shí)，由多艘USV聯(lián)合起來(lái)構(gòu)成的協(xié)同系統(tǒng)，具有更強(qiáng)的魯棒性、通信能力、機(jī)動(dòng)性、靈活性、更高的作業(yè)效率和更廣的作業(yè)范圍?？紤]到現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)于多兵種，多武器，多方位的綜合協(xié)同作戰(zhàn)需要[3]，多USV協(xié)同系統(tǒng)可完善無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)的發(fā)展使用。

1 無(wú)人水面艇研究現(xiàn)狀

無(wú)人水面艇通過(guò)搭載不同傳感器或設(shè)備模塊，可以完成情報(bào)搜集、水上監(jiān)視、無(wú)人偵察、反水雷、反潛、輔助通信和導(dǎo)航、干擾敵軍通信網(wǎng)絡(luò)、誘殺敵方潛艇、遠(yuǎn)程火力攻擊等不同任務(wù)。目前世界上許多國(guó)家都開(kāi)展了對(duì)無(wú)人水面艇技術(shù)的研究，其中美國(guó)和以色列在USV的研究和應(yīng)用方面走在了世界前列[4-5]。

1.1 國(guó)外現(xiàn)狀

1)美國(guó)

2008年，通用動(dòng)力公司機(jī)器人系統(tǒng)部為美國(guó)海軍先后交付了2艘“港灣”級(jí)反潛戰(zhàn)水面無(wú)人艇(ASW USV)，主要應(yīng)用于近海環(huán)境、執(zhí)行海上防御、通道保護(hù)、港口偵察以及保護(hù)海軍水面戰(zhàn)斗群等反潛任務(wù)。美國(guó)達(dá)信系統(tǒng)公司也于同年制造了通用無(wú)人水面艦艇(CUSV)，用于執(zhí)行情報(bào)、監(jiān)視和偵察、拖曳作業(yè)、反水雷、反潛、反水面戰(zhàn)、通信中繼發(fā)射和回收無(wú)人機(jī)等任務(wù)。2011年9月，美國(guó)海軍新型的三體無(wú)人快速偵察艇“X-2”號(hào)在圣迭戈灣下水，主要用于完成海岸監(jiān)視、禁毒、攔截、巡邏等任務(wù)。美國(guó)國(guó)防部承包商于2012年展示了新型無(wú)人水面艦艇“食人魚(yú)”，該艇具備掃雷、探測(cè)和攻擊水下敵方潛艇和水面艦艇功能。

2)以色列與其他國(guó)家

以色列的“保護(hù)者”USV，主要用于本土防御和反恐作戰(zhàn)，并可完成部隊(duì)保護(hù)、監(jiān)視偵察等任務(wù)。埃爾比特系統(tǒng)公司于2006年公布了自主無(wú)人水面艇“銀色馬林魚(yú)”，它適合執(zhí)行多種使命，例如情報(bào)、監(jiān)視和偵察、兵力保護(hù)/反恐、反艦和反水雷、搜索與救援，港口和水道巡邏以及電子戰(zhàn)。航空防務(wù)系統(tǒng)公司于2006年獨(dú)立開(kāi)發(fā)的無(wú)人水面艇“海星”，主要用于執(zhí)行一系列海軍或海上任務(wù)，包括港口設(shè)施保護(hù)、海岸巡邏、艦船和石油鉆機(jī)保護(hù)、偵察任務(wù)、目標(biāo)標(biāo)示、干擾和誘餌、兵力保護(hù)和延伸光電磁場(chǎng)等。

此外，其他國(guó)家也進(jìn)行了無(wú)人艇開(kāi)發(fā)和研制[6-7]，如葡萄牙于2006年研制的“德?tīng)柗摇彪p體無(wú)人水面艇；德國(guó)于2008年研制的“水貓M8”快速攻擊艇；瑞典于2009年研制的“SAM 3”掃雷水面無(wú)人艇；新加坡于2010年研制的“金星”無(wú)人艇；法國(guó)ECA公司于2010年研制的“黑星”無(wú)人水面艇；馬來(lái)西亞于2012年研發(fā)的一種用于海上巡邏和環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)人艇；英國(guó)自主水面航行器(ASV)公司于2013年研發(fā)的“C-Enduro”系列長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人水面艇等。

1.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

2006年，在第六屆珠海航展上亮相的“閃電”XG-3高速探測(cè)無(wú)人水面艇[8]，可在較惡劣條件下進(jìn)行特定區(qū)域的探測(cè)、偵察甚至是小目標(biāo)攻擊。2008年，曾為北京奧運(yùn)會(huì)青島奧帆賽提供氣象保障服務(wù)的無(wú)人駕駛海上探測(cè)船“天象一號(hào)”[4]，是國(guó)內(nèi)第1艘用于工程實(shí)際的無(wú)人水面艇，也是第1艘用無(wú)人水面艇進(jìn)行氣象探測(cè)的系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)智能駕駛、雷達(dá)搜索、衛(wèi)星應(yīng)用、圖像處理與傳輸?shù)裙δ堋?010年，臺(tái)灣海洋科技研究中心研制出一型無(wú)人水面艇“鄭和101”號(hào)[9](見(jiàn)圖1)，其主要功能是面向臺(tái)灣西部和東南海況環(huán)境復(fù)雜多變的近海水域，進(jìn)行水文水質(zhì)氣象數(shù)據(jù)的調(diào)查、監(jiān)測(cè)、收集和分析等工作。2013年，我國(guó)自行研制開(kāi)發(fā)的首艘無(wú)人測(cè)量艇正式誕生[10](見(jiàn)圖2)，它實(shí)現(xiàn)了遙控與自主導(dǎo)航航行、路徑規(guī)劃、路徑跟蹤、水面及水下障礙的自主避障避碰、遠(yuǎn)距離自主航行等功能；實(shí)現(xiàn)了單波束、多波束聲吶探測(cè)，前視多波束聲吶、側(cè)掃聲吶探測(cè)，多普勒流速流向測(cè)量等海洋多要素綜合測(cè)量功能。

圖1 “鄭和101”號(hào)無(wú)人水面艇Fig.1 “ZhengHe101”USV

圖2 我國(guó)首艘無(wú)人測(cè)量艇Fig.2 The first USV for surey of China

此外，哈爾濱工程大學(xué)、上海海事大學(xué)和江蘇科技大學(xué)等[11-13]國(guó)內(nèi)高校也研制出無(wú)人水面艇模型，并進(jìn)入了實(shí)驗(yàn)研究階段。

2 多USV協(xié)同系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

美國(guó)麻省理工學(xué)院的Joseph Curcio和Toby Schneiderr等[14-16]針對(duì)自主研發(fā)的4艘低成本水面無(wú)人艇SCOUT(Surface Craft for Oceanographic and Undersea Testing)，對(duì)基于采樣平臺(tái)，自主性軟件(MOOS-IvP軟件架構(gòu))及?？胀ㄐ呕A(chǔ)設(shè)施(EVDO網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、水聲通信和互聯(lián)網(wǎng))系統(tǒng)等方面進(jìn)行了較多研究，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試表明這種無(wú)人艇可完成港口監(jiān)控等協(xié)同任務(wù)。以歐盟項(xiàng)目“不確定環(huán)境下協(xié)同異構(gòu)無(wú)人系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與控制”(GREX，2006-2009)為背景，葡萄牙的高級(jí)技術(shù)所-系統(tǒng)與機(jī)器人研究所(IST-ISR)對(duì)已知任務(wù)場(chǎng)景下的自主海洋船協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制的一般問(wèn)題開(kāi)展了大量試驗(yàn)研究[17-19]，包括動(dòng)態(tài)環(huán)境中的避碰，時(shí)變通信拓?fù)浜蛽p失架構(gòu)，支持軟件/硬件的多海洋船協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制算法的效能等問(wèn)題。Joshua Redding等[20]提出一種無(wú)人水面艇的協(xié)同任務(wù)規(guī)劃、自主和控制技術(shù)(CoMPACT)，開(kāi)發(fā)了一種基于快速擴(kuò)展隨機(jī)樹(shù)(RRT)算法的路徑規(guī)劃算法的仿真圖形用戶界面。可使模塊化設(shè)計(jì)的多異構(gòu)水面無(wú)人艇實(shí)現(xiàn)協(xié)同反潛、反水雷和區(qū)域搜索等任務(wù)。Ivind Aleksander G. Loe[21]對(duì)基于國(guó)際海上避碰規(guī)則COLREGS的水面無(wú)人艇避碰系統(tǒng)進(jìn)行了研究，通過(guò)仿真和全尺寸試驗(yàn)，驗(yàn)證了該避碰系統(tǒng)可以尋求到接近最優(yōu)的路徑，具有良好的魯棒性。Massimo Caccia和Marco Bibuli等[22-24]針對(duì)搭載有自主軟件、有效載荷模塊，多波束聲吶、云臺(tái)單元和控制軟件的Charlie USV，對(duì)無(wú)人水面艇的導(dǎo)航、制導(dǎo)、控制，特別是路徑跟蹤問(wèn)題做了海試研究，并驗(yàn)證了其可靠性?；谌藱C(jī)界面和地面局域網(wǎng)絡(luò)等控制系統(tǒng)，該型無(wú)人水面艇協(xié)同作業(yè)可完成反水雷和港口保護(hù)等海上安全使命。

J.Almeida等[25]討論了在離散時(shí)間內(nèi)保持定期通信聯(lián)網(wǎng)的自主水面船的協(xié)同路徑跟蹤問(wèn)題。對(duì)于受動(dòng)態(tài)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)約束的協(xié)作船只，基于李雅普諾夫技術(shù)、圖論和網(wǎng)絡(luò)控制的分散式控制系統(tǒng)，由相互關(guān)聯(lián)的路徑跟蹤和協(xié)同策略輸入輸出狀態(tài)反饋表組成。英國(guó)貝爾法斯特女王大學(xué)[26-28]基于國(guó)際海上避碰規(guī)則COLREGS，對(duì)無(wú)人艇的導(dǎo)航、制導(dǎo)、控制和路徑規(guī)劃等方面進(jìn)行了較為深入的研究，其中針對(duì)英國(guó)Springer雙體無(wú)人水面艇，設(shè)計(jì)了包含直線導(dǎo)航點(diǎn)和人工側(cè)滑方案的障礙物檢測(cè)與避碰策略，提出一種無(wú)功路徑規(guī)劃算法，用于反饋給無(wú)人艇自動(dòng)舵，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了無(wú)人艇面對(duì)靜態(tài)或動(dòng)態(tài)障礙物均生成了可行的軌跡。CheeKuang Tam等[29]提出一種用于計(jì)算符合國(guó)際海上避碰規(guī)則的導(dǎo)航路徑的路徑規(guī)劃算法。通過(guò)一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)模擬了一系列海上交通場(chǎng)景，從算法的不同方面討論了從不同角度輸出的一致性，導(dǎo)航路徑的實(shí)用性，計(jì)算性能等問(wèn)題。

從以上文獻(xiàn)可以看出，國(guó)外學(xué)者對(duì)于無(wú)人水面艇協(xié)同路徑規(guī)劃、協(xié)同路徑跟蹤和協(xié)同作業(yè)中的避碰進(jìn)行了較多的仿真與試驗(yàn)研究。

國(guó)內(nèi)學(xué)者目前主要側(cè)重于對(duì)USV艇型的設(shè)計(jì)，智能控制方法，操縱性，自主導(dǎo)航等方面[30-35]進(jìn)行研究。對(duì)于多USV協(xié)同系統(tǒng)的研究較少。其中，徐博等[36]提出基于微慣性網(wǎng)絡(luò)的主從式協(xié)同導(dǎo)航定位方法，對(duì)基于多領(lǐng)航者的協(xié)同導(dǎo)航定位和基于單領(lǐng)航者的協(xié)同導(dǎo)航定位2種協(xié)同導(dǎo)航定位方法進(jìn)行了理論分析。王卓等[37]提出一種基于多智能體技術(shù)的水面無(wú)人艇協(xié)同仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)開(kāi)展航線跟蹤和自主航行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了協(xié)同仿真框架及開(kāi)發(fā)方法的可行性和正確性。

3 多USV協(xié)同系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 高性能艇型

一個(gè)無(wú)人化的多USV協(xié)同編隊(duì)，其智能化程度將直接由每個(gè)USV的性能決定。毋庸置疑，擁有航速高、耐波性優(yōu)良、運(yùn)載能力較大、經(jīng)濟(jì)性好等[38]諸多優(yōu)點(diǎn)的高性能艇型是組成多USV協(xié)同編隊(duì)的首選。從近年來(lái)無(wú)人水面艇研究進(jìn)展可以看出，滑行艇、穿浪艇、多體船等艇型是各國(guó)的研究熱點(diǎn)。高性能艇將極大地提升多USV協(xié)同編隊(duì)的整體性能。

3.2 控制體系

對(duì)于一個(gè)多USV協(xié)同系統(tǒng)，其核心是控制體系。參考多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，多個(gè)無(wú)人水面艇組成的協(xié)同控制體系也可分為集中式，分布式和混合式3種。集中式控制是將1艘綜合性能較高的USV作為母艇，經(jīng)過(guò)分析處理后把信息傳遞給其他各子艇，進(jìn)行任務(wù)部署；分布式控制是每艘USV都具有獨(dú)立接收命令與分析的能力，可以按各自的意愿決定動(dòng)作。前者雖然協(xié)調(diào)效率較高，但主控USV產(chǎn)生故障將直接導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓，因而這種控制方式的自主性和魯棒性都比較差；后者由于各USV之間可以進(jìn)行相互通信，所以有較好的容錯(cuò)能力與可擴(kuò)展性，但多艘USV的協(xié)調(diào)效率較低，容易產(chǎn)生局部沖突，全局性較差。因此，將以上2種控制方式結(jié)合起來(lái)就形成了最理想的混合式控制體系，它兼顧了集中式與分布式的優(yōu)點(diǎn)，敏捷性、靈活性、可靠性、持續(xù)性和魯棒性等較好，能夠很好地滿足多USV協(xié)同作業(yè)的需要。

3.3 通信技術(shù)

無(wú)線通信可以使各無(wú)人水面艇相互了解意圖、目標(biāo)、動(dòng)作以及當(dāng)前的航態(tài)等信息，從而進(jìn)行協(xié)商，完成數(shù)據(jù)的傳輸，并執(zhí)行相應(yīng)的命令，協(xié)作完成任務(wù)。按通信方式可分為顯式通信和隱式通信[39]。隱式通信是指USV通過(guò)外界環(huán)境與自身傳感器獲取信息實(shí)現(xiàn)相互之間的協(xié)作，各USV之間沒(méi)有直接進(jìn)行信息交互。隱式通信不存在數(shù)據(jù)的顯式交換，多USV之間不能使用高級(jí)協(xié)作策略，降低了完成復(fù)雜任務(wù)的能力；顯式通信是多USV系統(tǒng)通過(guò)特定的介質(zhì)，完成各USV之間信息的轉(zhuǎn)移和交換。顯式通信雖然可以完成隱式通信無(wú)法完成的高級(jí)協(xié)作策略，但卻存在網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和局部通信沖突等通信質(zhì)量問(wèn)題。USV需要將傳感器記錄的視頻信息、位置信息、姿態(tài)信息，通過(guò)無(wú)線鏈路信道，實(shí)現(xiàn)信息的傳輸與共享。然而，有限的通信范圍將直接對(duì)通信能力產(chǎn)生影響，這就需要多USV間的信息傳輸具有多種協(xié)議、多條鏈路、多種方式、高帶寬、實(shí)時(shí)性以及較強(qiáng)的抗干擾能力?？紤]到USV體積較小以及各艇載傳感器分布密度較大，多USV如何對(duì)感知的環(huán)境進(jìn)行融合是協(xié)同通信的難點(diǎn)。

3.4 避碰

多USV協(xié)同編隊(duì)至少由3艘無(wú)人水面艇組成。在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，任何2艘無(wú)人水面艇之間都要保持最小的安全距離，防止產(chǎn)生碰撞，對(duì)無(wú)人水面艇協(xié)同編隊(duì)的整體性造成破壞。這樣必須考慮的一個(gè)問(wèn)題就是避碰[40]。避碰不僅是指避免USV之間或USV與其他船只產(chǎn)生碰撞，而且也包括避免USV和障礙物的碰撞，它又分為基于傳感器信息的靜態(tài)避碰與基于未知環(huán)境的動(dòng)態(tài)避碰。靜態(tài)避碰，要求在無(wú)人水面艇導(dǎo)航系統(tǒng)中增設(shè)激光測(cè)距儀、雷達(dá)、多波束前視聲吶和側(cè)視聲吶等設(shè)備，從而對(duì)水面或水下的障礙物進(jìn)行監(jiān)測(cè)，反饋給USV控制中心。動(dòng)態(tài)避碰是指在未知的環(huán)境中往往會(huì)存在多個(gè)甚至是可移動(dòng)的障礙物，USV在避開(kāi)一個(gè)障礙物以后，必須要迅速做出反應(yīng)并重新規(guī)劃航跡避開(kāi)下一個(gè)障礙物。由于實(shí)時(shí)性和連續(xù)性，目前USV的動(dòng)態(tài)避碰存在一定難度。

3.5 任務(wù)規(guī)劃與決策

協(xié)同任務(wù)規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)多USV協(xié)同控制的關(guān)鍵技術(shù)，它可以劃分為任務(wù)分配和路徑規(guī)劃。協(xié)同任務(wù)分配，是綜合考慮各無(wú)人水面艇自身的性能、任務(wù)的重要性，將不同的子任務(wù)分配給合適的USV，使得多USV協(xié)同系統(tǒng)完成全部任務(wù)時(shí)收益最大。協(xié)同任務(wù)分配處于智能決策的上層，將決定下層協(xié)同路徑規(guī)劃的策略。任務(wù)分配的難點(diǎn)在于如何動(dòng)態(tài)地組織和分配任務(wù)給各USV，以及面對(duì)新的任務(wù)產(chǎn)生或環(huán)境改變時(shí)，如何重新分配任務(wù)，合理地調(diào)整路徑規(guī)劃。協(xié)同路徑規(guī)劃，是指在考慮在一定條件的約束下，多艘USV可以最短且最安全的路徑完成一個(gè)最優(yōu)的任務(wù)目標(biāo)。類比于多無(wú)人機(jī)和多無(wú)人水下艇，常見(jiàn)的路徑規(guī)劃算法有Voronoi圖形法、人工勢(shì)場(chǎng)法、快速擴(kuò)展隨機(jī)樹(shù)算法和解決旅行商問(wèn)題的蟻群、粒子群、魚(yú)群等群算法。

4 發(fā)展趨勢(shì)與展望

4.1 發(fā)展趨勢(shì)

按照美國(guó)海軍“無(wú)人艇主計(jì)劃”[41]提出的無(wú)人水面艇“高回報(bào)”任務(wù)場(chǎng)景設(shè)想，越來(lái)越多具備不同功能的異構(gòu)無(wú)人水面艇將會(huì)誕生，這將不斷推動(dòng)無(wú)人水面艇艇型的演化。從高性能艇型到復(fù)合雜交艇型[42]，甚至到水陸、水空兩棲艇型[43]，新型的USV將層出不窮。多USV協(xié)同編隊(duì)呈現(xiàn)出多樣性，可以和多UAV、多UUV、多UGA等其他智能無(wú)人運(yùn)載工具進(jìn)行合作(見(jiàn)圖3)，形成新的監(jiān)視和通信網(wǎng)絡(luò)，具備強(qiáng)大的環(huán)境感知能力和多維空間的信息獲取能力。無(wú)人水面艇作為通信的中繼端，將連接空中和水下2種介質(zhì)，具備更強(qiáng)的信息采集能力與分析處理能力。因此，無(wú)線通信技術(shù)不僅是多USV協(xié)同系統(tǒng)集成的技術(shù)保障，也是多無(wú)人運(yùn)載工具協(xié)作的關(guān)鍵。將多USV間的顯式通信和隱式通信結(jié)合起來(lái)，是未來(lái)一種發(fā)展趨勢(shì)。此外，隨著多USV面對(duì)任務(wù)使命難度不斷增大，如何實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)地協(xié)同任務(wù)分配與再分配，最大限度地發(fā)揮每個(gè)USV的特點(diǎn)，有的放矢，避免協(xié)同編隊(duì)內(nèi)部產(chǎn)生沖突與干擾，是未來(lái)多USV協(xié)同系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。

圖3 未來(lái)巴倫支海多種無(wú)人運(yùn)載工具組成的監(jiān)控體系效果圖[44]Fig.3 The future effect picture of surveillance system of the Barents Sea composed of multiple unmanned vehicles[44]

4.2 應(yīng)用展望

1)海上補(bǔ)給。當(dāng)海面上的軍艦急需燃油、潤(rùn)滑油、武備等方面的補(bǔ)給，USV可以快速地?cái)y帶這些具有危險(xiǎn)性的物品完成任務(wù)。同樣對(duì)于客貨船甚至是海洋平臺(tái)，USV也可以對(duì)食品、行李、備品等方面的補(bǔ)給。多USV協(xié)同作業(yè)彌補(bǔ)了單一無(wú)人水面艇載重量小的缺點(diǎn)，可以高效地實(shí)現(xiàn)海上補(bǔ)給。

2)水上安全保護(hù)。無(wú)人水面艇因其自身的無(wú)人化，對(duì)水上安全的保護(hù)具有一定優(yōu)勢(shì)。多USV在近海岸進(jìn)行協(xié)同巡邏，對(duì)潛在的水雷或其他威脅進(jìn)行排查，對(duì)可疑目標(biāo)進(jìn)行攔截，將巡邏信息第一時(shí)間反饋給港口基站，對(duì)港口和航道形成有效的保護(hù)。此外，對(duì)于停泊的有人艦艇，在其周?chē)ぷ鞯亩郩SV協(xié)同編隊(duì)也可以實(shí)施有力的保護(hù)。

3)完善無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)。從美國(guó)國(guó)防部提出的無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)發(fā)展路線圖[45]可以看出，異構(gòu)的多USV協(xié)同編隊(duì)，連接了海、陸、空無(wú)人協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)(見(jiàn)圖4)，形成了多維立體化聯(lián)合武裝力量，未來(lái)在信息化戰(zhàn)爭(zhēng)和反恐戰(zhàn)爭(zhēng)中的作用不容小覷。雖然多USV協(xié)同系統(tǒng)起步緩慢，但卻發(fā)展迅速，在未來(lái)10-20年多USV協(xié)同系統(tǒng)都將作為無(wú)人系統(tǒng)的重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象。各國(guó)加大力度研究無(wú)人水面艇相關(guān)技術(shù)，也是旨在增強(qiáng)軍事實(shí)力和無(wú)人化智能化作戰(zhàn)程度。

圖4 無(wú)人協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)效果圖[46]Fig.4 The effect picture of unmanned cooperating combat system[46]

4)水文氣象信息采集。無(wú)人水面艇既可以完成水面風(fēng)速、風(fēng)向，流速、流向，水溫、水質(zhì)等水文監(jiān)測(cè)，也能對(duì)地震、海嘯等隨時(shí)可能發(fā)生的自然災(zāi)害進(jìn)行探測(cè)。顯然，這些時(shí)變信息的采集，多USV協(xié)同編隊(duì)相比于人為監(jiān)測(cè)具有實(shí)時(shí)性、高效性、持續(xù)性和安全性等優(yōu)點(diǎn)。

5)水面搜救。美麗的沙灘和深藍(lán)的海水在吸引大量游客觀光的同時(shí)，存在著溺水危險(xiǎn)，而環(huán)境的嘈雜往往使得意外溺水的游客不一定得到及時(shí)的救助，很可能就此喪失生命。在淺海海域協(xié)同作業(yè)的無(wú)人水面艇可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題，它們可以在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)溺水者實(shí)施載人救助，并根據(jù)有效載荷的變化向基站發(fā)起援助信息。

5 結(jié) 語(yǔ)

多USV協(xié)同系統(tǒng)在民用和軍用領(lǐng)域均展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景，特別是軍事意義日趨凸顯。面對(duì)21世紀(jì)復(fù)雜多變的海洋環(huán)境，各國(guó)已發(fā)現(xiàn)USV在海上的潛力，必將加快其研發(fā)進(jìn)程，這也將極大地促進(jìn)各國(guó)國(guó)防科技現(xiàn)代化和信息化的建設(shè)。本文介紹了目前各國(guó)無(wú)人水面艇的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)描述了多USV協(xié)同系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)，最后設(shè)想了未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)并展望了應(yīng)用前景?？梢韵胂?，隨著機(jī)器人、通信工程、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、控制理論等相關(guān)學(xué)科交叉、融合范圍的擴(kuò)大和各項(xiàng)技術(shù)的日趨成熟，USV將呈現(xiàn)出更高水平的智能化、效費(fèi)比、可靠性和魯棒性，多USV協(xié)同系統(tǒng)也將逐步完善。

[1] 周洪光，馬愛(ài)民，夏朗.無(wú)人水面航行器發(fā)展[J].國(guó)防科技，2009，30(6)：17-20，30.

ZHOU Hong-guang，MA Ai-min，XIA Lang.A research on the development of the unmanned surface vehicles[J].National Defense Science and Technology，2009，30(6)：17-20，30.

[2] 李家良.水面無(wú)人艇發(fā)展與應(yīng)用[J].火力與指揮控制，2012，37(6)：203-207.

LI Jia-liang.Development and application of unmanned surface vehicle[J].Fire Control and Command Control，2012，37(6)：203-207.

[3] 薛宏濤，葉媛媛，沈林成,等.多智能體系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及協(xié)調(diào)機(jī)制研究綜述[J].機(jī)器人，2001，23(1)：85-90.

XUE Hong-tao，YE Yuan-yuan，SHEN Lin-cheng，et al.A roadmap of multi-agent system arcitecture and coordination research[J].ROBOT，2001，23(1)：85-90.

[4] YAN Ru-jian，PANG Shuo，SUN Han-bing.Development and missions of unmanned surface vehicle[J].Journal of Marine Science and Application，2010(9)：451-457.

[5] http://www.unmanned.co.uk/platforms/unmanned-vehicle-news/unmanned-surface-vehicle-usv-news/[EB/OL].

[6] BERTRAM V.Unmanned surface vehicles-a survey[M].Copenhagen，Denmark，2008：1-4.

[7] YAAKOB O，MOHAMED Z，HANAFIAH M S，et al.Development of unmanned surface vehicle(USV)for sea patrol and environmental monitoring[C].Proceedings of the 8th International Conference on Marine Technology,Kuala Terengganu，2012，MTP-85.

[8] http://hyqb.sh.cn/publish/portal7/tab675/info4887.htm[EB/OL].2010-8-15.

[9] YANG Wen-rong，CHEN Cing-ying，HSU Chao-min.Multi-functional inshore survey platform with unmanned surface vehicles[J].International Journal of Automation and Smart Technology，2011，1(2)：19-25.

[10] http://www.bhshipyard.cn/tpxw/265119.htm[EB/OL].2013-6-7

[11] WU Gong-xing，ZOU Jin，WAN Lei，et al.Design of the basic motion control system for water-jet-propelled unmanned surface vehicle[J].Control Theory and Applications，2010，27(2)：257-262.

[12] 熊亞洲，張曉杰，馮海濤,等.一種面向多任務(wù)應(yīng)用的無(wú)人水面艇[J].船舶工程，2012(1)：16-19.

XIONG Ya-zhou，ZHANG Xiao-jie，F(xiàn)ENG Hai-tao，et al.An unmanned surface vehicle for multi-mission applications[J].Ship Engineering，2012(1)：16-19.

[13] 文逸彥.一種無(wú)人翼滑艇艇型的設(shè)計(jì)技術(shù)研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2013.

[14] CURCIO J，LEONARD J，Andrew patrikalakis.SCOUT-a low cost autonomous surface platform for research in cooperative autonomy[C].Proceedings of Oceans 2005 MTS/IEEE.Washington, D.C.，USA，2005：725-729.

[15] CURCIO J，SCHNEIDER T，BENJAMIN M，et al.Auto-nomous surface craft provide flexibility to remote adaptive oceanographic sampling and modeling[C].Proceedings of OCEANS 2008,Quebec City，Canada，2008：1-7.

[16] SCHNEIDER T，SCHMIDT H，PASTORE T.Cooperative autonomy for contact investigation[C].Proceedings of Oceans 10 Institute of Electrical and Electronics Engineers,Sydney，Australia，2010：1-7.

[17] PEDRO AGUIAR A，ALMEIDA J，BAYAT M，et al.Coop-erative control of multiple marine vehicles：theoretical challenges and practical issues[C].Proceedings of the 8th IFAC International Conference on Manoeuvring and Control of Marine Craft,Guarujá，Brazil，2009：412-417.

[18] CARVALHOSA S，AGUIAR A P，PASCOAL A.Cooperative motion control of multiple autonomous marine vehicles：collision avoidance in dynamic environments[C].Proceedings of the 7th IFAC Symposium on Intelligent Autonomous Vehicles 2010,Lecce，Italy，2010：282-287.

[19] AGUIAR A P，PASCOAL A.Cooperative control of multiple autonomous vehicles：current and future trends[R].2010.

[20] REDDING J，AMIN J，BOJ D.，et al.Collaborative mission planning,autonomy and control technology(CoMPACT)for unmanned surface vehicles[C].Proceedings of the AIAA Guidance，Navigation，and Control Conference,Chicago，USA，2009：1-23.

[21] ?ivind Aleksander G.Loe.Collision avoidance for unma-nned surface vehicles[D].Trondheim，Norway：Norwegian University of Science and Technology，2008.

[22] CACCIA M，BIBULI M，BONO R，et al.Basic navigation, guidance and control of an unmanned surface vehicle[J].Autonomous Robots，2008，25(3)：349-365.

[23] CACCIA M，BIBULI M，BRUZZONE G，et al.Modular USV and payload design for advanced capabilities in marine security applications[C].Proceedings of the 19th Mediterranean Conference on Control and Automation,Corfu，Greece，2011：430-435.

[24] BIBULI M，CACCIA M，LAPIERRE L，et al.Guidance of unmanned surface vehicles:experiments in vehicle following[J].Robotics and Automation Magazine，2012，19(3)：92-102.

[25] ALMEIDA J，SILVESTRE C，PASCOAL A M.Cooperative control of multiple surface vessels with discrete-time periodic communications[J].International Journal of Robust and Nonlinear Control，2012，22(4)：398-419.

[26] NAEEM W，IRWIN G W.An automatic collision avoidance strategy for unmanned surface vehicles[C].Proceedings of International Conference on Life System Modeling and Simulation(LSMS 2010)and International Conference on Intelligent Computing for Sustainable Energy and Environment(ICSEE 2010),Wuxi，China，2010：184-191.

[27] NAEEM W，IRWIN G W，YANG A.COLREGs-based collision avoidance strategies for unmanned surface vehicles[J].Mechatronics，2012，22：669-678.

[28] CAMPBELL S，NAEEM W，IRWIN G W.A review on imp-roving the autonomy of unmanned surface vehicles through intelligent collision avoidance manoeuvres[J].Annual Reviews in Control，2012，36：267-283.

[29] TAM C，BUCKNALL R.Cooperative path planning algorithm for marine surface vessels[J].Ocean Engineering，2013，57：25-33.

[30] http://www.scmp.com/news/china/article/1373490/after-drones-china-turns-unmanned-vessels-boost-its-marine-power goback=%2Egde_94718_member_5814390855959609346#%21[EB/OL].2013-12-5

[31] CUI Jian，YANG Song-lin，XU Hai-tong.Preliminary study on maneuvering motion pattern of unmanned composite trimaran ship model[J].Applied Mechanics and Materials，2012，12(253-255)：2218-2222.

[32] ZHAO Jiang，YAN Wei-sheng，GAO Jian，et al.Design and implement of the control system for unmanned surface vehicle based on the VxWorks[J].International Asia Conference on Informatics in Control，Automation and Robotics，2010(2)：13-17.

[33] SUN Qiao-mei，REN Guang，YUE Jin，et al.Autopilot design for unmanned surface vehicle tracking control[C].Proceedings of the 3rd International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automatio，2011(155)：610-614.

[34] 吳恭興.無(wú)人艇操縱性與智能控制技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2011.

[35] 廖煜雷，萬(wàn)磊，莊佳園.噴水推進(jìn)型無(wú)人水面艇的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究[J].高技術(shù)通訊，2012，22(4)：416-422.

LIAO Yu-lei，WAN Lei，ZHUANG Jia-yuan.An embedded motion control system for water-jet-propelled unmanned surface vehicles[J].Chinese High Technology Letters，2012，22(4)：416-422.

[36] 徐博，高偉，楊俊巍.基于微慣性網(wǎng)絡(luò)的多水面無(wú)人艇協(xié)同導(dǎo)航定位技術(shù)研究[C].微機(jī)電慣性技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)——慣性技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)發(fā)展方向研討會(huì)文集,蘇州，2011：191-195.

[37] 王卓，馮曉寧，萬(wàn)磊,等.水面無(wú)人艇協(xié)同仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)方法[J] .哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，33(3)：275-282.

WANG Zhuo，F(xiàn)ENG Xiao-ning，WAN Lei，et al.Research on the platform design method of a USV collaborative simulation[J] .Journal of Harbin Engineering University，2012，33(3)：275-282.

[38] 趙連恩，韓端鋒.高性能船舶水動(dòng)力原理與設(shè)計(jì)[M]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2007.

[39] 蔡自興，陳白帆，劉麗玨,等.多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)同原理與技術(shù)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011.

[40] 崔健.具有一定避碰功能的無(wú)人復(fù)合三體船模操縱運(yùn)動(dòng)模式分析研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2013.

[41] NAVY U S.The navy unmanned surface vehicle (USV) Master Plan[Z].23 July 2007.

[42] 文逸彥，楊松林，馬天宇,等.一種復(fù)合三體沖翼船[P]，中國(guó)：201110306781，2012.04.12.

WEN Yi-yan，YANG Song-lin，MA Tian-yu，et al.A composite three-body ram wing vehicles[P]，China：201110306781，2012.04.12.

[43] 徐海通.水面兩棲無(wú)人艇概念設(shè)計(jì)及快速性和操縱性的初步研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2014.

[44] BREIVIK M，HOVSTEIN V E.Formation control with unmanned surface vehicles：theory and practice[R]，2008.

[45] Department of Defense USA，Unmanned Systems Roadmap2007- 2032[R].2007.

[46] Department of Defense USA，F(xiàn)Y2013-2038 Unmanned Systems Integrated Roadmap[R].2013.

An outline of current status and development of the multiple USV cooperation system

MA Tian-yu，YANG Song-lin，WANG Tao-tao，XIN Lei，CHEN Yi

(School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China)

Unmanned Surface Vehicle(USV),featured as a higher degree of intelligence, better stealth performance, stronger mobility and lower cost, is considered as a weapon of new conception for widely warring applications.Among the unmanned vehicles,the development of USV is relatively late,but is gradually becoming a hot research issue.After brief introductin to the current research progress of USV both at home and abroad in this paper.The status of multiple USV cooperation system is presented intensively and five key technologies are described as well,including the type of high performance craft, control system,communication technology,collision avoidance and mission planning and decision.Finally describes a developing trend in the future and the vision of the multiple USV cooperation system in replenishment at sea,protection of security maritime,improving unmanned combat system,collecting hydrological and meteorological information and maritime search and rescue.

unmanned surface vehicle;multiple USV;cooperation system;unmanned combat system;type of high performance craft

2014-03-31

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51379094)；江蘇科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(12508030020)

馬天宇(1989- )，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇芭c海洋結(jié)構(gòu)物流體力學(xué)性能。

U674

A

1672-7649(2014)06-0007-07

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.06.002