現(xiàn)代水面無(wú)人艇技術(shù)

朱 煒， 張 磊

(1.海軍駐上海滬東中華造船(集團(tuán))有限公司軍事代表室， 上海 200129；2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

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現(xiàn)代水面無(wú)人艇技術(shù)

朱 煒1， 張 磊2

(1.海軍駐上海滬東中華造船(集團(tuán))有限公司軍事代表室， 上海 200129；2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

簡(jiǎn)要闡述水面無(wú)人艇的特點(diǎn)，并著重分析國(guó)內(nèi)外無(wú)人艇的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，為進(jìn)一步開(kāi)展水面無(wú)人艇技術(shù)的研究指出若干方向，為技術(shù)人員開(kāi)展相關(guān)研究工作提供參考。

水面無(wú)人艇；人工智能；自主性；可靠性

0 引言

水面無(wú)人艇(Unmanned Surface Vehicle，USV)發(fā)展至今雖已有70多年的歷史[1-5]，但相較于無(wú)人機(jī)、無(wú)人車(chē)系統(tǒng)，水面無(wú)人艇還是一個(gè)較為陌生的無(wú)人系統(tǒng)平臺(tái)。水面無(wú)人艇是指那些可由水面艦船或岸基布放回收，以半自主或全自主方式在水面航行的無(wú)人化、智能化作業(yè)平臺(tái)。作為一種新型的無(wú)人化平臺(tái)，與傳統(tǒng)水面艦船相比，水面無(wú)人艇具有一些典型的優(yōu)勢(shì)。

(1) 小型輕量，反應(yīng)快速。水面無(wú)人艇發(fā)展至今已經(jīng)衍生出很多類型，與傳統(tǒng)水面艦船相比，其主尺度和排水量均不大，總長(zhǎng)在6～20 m的最為常見(jiàn)，排水量在數(shù)噸至數(shù)十噸之間，但其快速性特點(diǎn)要遠(yuǎn)優(yōu)于同級(jí)別的傳統(tǒng)水面艦船。

(2) 機(jī)動(dòng)靈活，適應(yīng)性強(qiáng)。無(wú)人艇具有較小的排水量、較淺的吃水設(shè)計(jì)，因而特別適合在港口、航道、近岸等淺水區(qū)域活動(dòng)作業(yè)，且可以更好地適應(yīng)海況干擾所產(chǎn)生的影響。

(3) 艇型豐富。由于無(wú)人艇不需要考慮船員的適居性設(shè)計(jì)問(wèn)題，無(wú)人艇的艇型設(shè)計(jì)可以更加自由靈活，例如可以采用單體滑行艇型、水翼艇型、多體船艇型以及半潛式等形式。

(4) 推進(jìn)方式多樣。無(wú)人艇除了可以沿用傳統(tǒng)的艦船推進(jìn)方式如螺旋槳推進(jìn)配合方向舵、噴水推進(jìn)、表面槳推進(jìn)等以外，還可以采用全電力推進(jìn)以及利用太陽(yáng)能、風(fēng)能和海洋能等環(huán)保能源的推進(jìn)方式。

(5) 信息化、智能化。一方面無(wú)人艇可以憑借自身所具備的人工智能以不同程度的自主性完成指定使命任務(wù)；另一方面無(wú)人艇可以同時(shí)與空中、水上和水下的平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行通信，協(xié)作組成立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，這有助于信息戰(zhàn)的實(shí)現(xiàn)。

由于在第二次海灣戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期無(wú)人艇的優(yōu)異表現(xiàn)增加了世界各國(guó)海軍對(duì)無(wú)人艇的興趣，目前，美、英、法、以色列、日本等國(guó)都在不斷研發(fā)先進(jìn)的高速水面無(wú)人艇，以增強(qiáng)其海軍戰(zhàn)斗力。從發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，無(wú)人艇的功能集成正在日益增多，船型正在由單體向多體等高性能船舶發(fā)展，使用范圍也在不斷拓展。作為一個(gè)龐大的家族，無(wú)人艇廣泛應(yīng)用于軍、民品領(lǐng)域。目前，無(wú)人艇發(fā)展典型代表：美國(guó)的“Autocat”和“Spartan”無(wú)人艇；以色列的“Protector”和“Stingray”無(wú)人艇；葡萄牙的“Delfim”無(wú)人艇；意大利的“Charlie”無(wú)人艇和英國(guó)的“Springer”無(wú)人艇等[6,7]。下文簡(jiǎn)要介紹各國(guó)無(wú)人艇的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。

1 國(guó)外水面無(wú)人艇研究現(xiàn)狀

美、英、法、德、以色列等國(guó)已將無(wú)人艇作為重要軍事項(xiàng)目進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)，其中最具代表性的是美國(guó)的“Spartan”和以色列的“Protector”無(wú)人艇等[5]。

1.1 美國(guó)

美國(guó)有許多軍方單位、地方研究協(xié)會(huì)、大學(xué)等機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期致力于無(wú)人艇的研究，其主導(dǎo)著全球無(wú)人艇的發(fā)展方向。

(1) “Spartan”。該無(wú)人艇項(xiàng)目由美國(guó)主持，聯(lián)合法國(guó)、新加坡共同研制?！癝partan”試驗(yàn)艇搭載于“葛底斯堡”號(hào)導(dǎo)彈巡洋艦，其參加了波斯灣作戰(zhàn)行動(dòng)后，美國(guó)海軍部根據(jù)其試驗(yàn)結(jié)果開(kāi)始大規(guī)模的研制工作，并將其列入瀕海戰(zhàn)斗艦(Littoral Combat Ship，LCS)的全套武器裝備清單中?！癝partan”無(wú)人艇有兩種設(shè)計(jì)方案，均為硬殼充氣型高速滑行艇(見(jiàn)圖1)，它既能自主航行也可遙控操縱，艇長(zhǎng)11 m，排水量2.3 t，最高航速可達(dá)50 kn，自持力可達(dá)12 h，可搭載1 350～2 300 kg的有效載荷。

圖1 “Spartan” 無(wú)人艇

(2) “SSC San Diego”。美國(guó)空間和海戰(zhàn)系統(tǒng)中心的機(jī)器人研究小組開(kāi)發(fā)了一種通用無(wú)人艇試驗(yàn)平臺(tái)——“SSC San Diego”無(wú)人艇(見(jiàn)圖2)。該小組一直致力于無(wú)人艇相關(guān)技術(shù)的研究，在該型無(wú)人艇上研發(fā)了許多無(wú)人艇領(lǐng)域的通用性技術(shù)，可以很方便地實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。

圖2 “SSC San Diego” 無(wú)人艇

(3) “Harbor Wing”。美國(guó)海軍還開(kāi)發(fā)了大量的無(wú)人快艇，主要用于偵察任務(wù)?！癏arbor Wing”是一艘長(zhǎng)約18 m，重10 t，遠(yuǎn)程無(wú)人駕駛，高適航性的雙體偵察船，已有X1和X2兩個(gè)型號(hào)(見(jiàn)圖3)。

圖3 “Harbor Wing” 無(wú)人艇

(4) 三體無(wú)人艇。通用動(dòng)力機(jī)械系統(tǒng)公司為美國(guó)海軍研制的無(wú)人艇(見(jiàn)圖4)艇長(zhǎng)10.6 m，寬3.25 m，最高航速可達(dá)35 kn以上。該艇設(shè)計(jì)為三體滑行艇形式，能在4級(jí)海況下發(fā)射和回收，且自帶傳感器系統(tǒng)(如拖曳式聲吶系統(tǒng)和多基地場(chǎng)外低頻聲吶系統(tǒng))，具有先進(jìn)的無(wú)人導(dǎo)航和360°“情境意識(shí)”自主控制能力以及連續(xù)24 h執(zhí)行任務(wù)的能力。

圖4 “11MUC0601” 三體無(wú)人艇

1.2 以色列

以色列具有非常強(qiáng)大的軍事科技研發(fā)能力，目前主要有拉斐爾、航空防務(wù)、埃爾比特等公司進(jìn)行水面無(wú)人艇及其相關(guān)技術(shù)的研究。

(1) “Protector” 。2003年，以色列拉斐爾公司與航空防務(wù)系統(tǒng)公司共同開(kāi)發(fā)了著名的“Protector”號(hào)無(wú)人艇。該艇于2005年開(kāi)始裝備部隊(duì)，用于執(zhí)行保衛(wèi)領(lǐng)水和近岸水域任務(wù)，在試驗(yàn)和使用過(guò)程中顯示出了較高的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能，是以色列無(wú)人艇研究的典型代表，如圖5所示。該艇艇長(zhǎng)9 m，排水量4 t，最高航速40 kn，最大載荷1 t，續(xù)航力約8 h，艇上裝備1挺7.62 mm或12.7 mm機(jī)槍(可增加1具40 mm榴彈發(fā)射器)，同時(shí)備有電動(dòng)機(jī)械瞄準(zhǔn)傳動(dòng)裝置的火控系統(tǒng)，有遙控和自主兩種控制模式。

圖5 “Protector” 號(hào)無(wú)人艇

(2) “Silver Marlin”。以色列埃爾比特系統(tǒng)公司研制的“Silver Marlin”號(hào)無(wú)人艇被稱為第二代無(wú)人艇，于2007年初開(kāi)始海試。該艇在Café賽艇35的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)建造而成(見(jiàn)圖6)，艇長(zhǎng)10.67 m，滿載排水量4 t，最高航速不小于45 kn，續(xù)航力500海里，續(xù)航時(shí)間24 h。

圖6 “Silver Marlin” 號(hào)無(wú)人艇

(3) “Stingray” ?！癝tingray”號(hào)是以色列埃爾比特系統(tǒng)公司研制的另一款小型無(wú)人艇，如圖7所示。該艇是在民用噴水推進(jìn)艇型基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，最高航速不小于40 kn，續(xù)航時(shí)間不小于8 h，有效載荷不小于150 kg，不但體型小、隱身性強(qiáng)，還具備海上目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別功能，可兼容情報(bào)偵察與監(jiān)視、電子戰(zhàn)和電子偵察等任務(wù)。

圖7 “Stingray” 號(hào)無(wú)人艇

(4) “Starfish”?！癝tarfish”號(hào)無(wú)人艇由以色列航空防務(wù)系統(tǒng)公司研制(見(jiàn)圖8)。該艇艇長(zhǎng)11 m，有效載荷2.5 t，巡航速度45 kn，作戰(zhàn)半徑300海里，自持力10 h，其動(dòng)力系統(tǒng)配備雙柴油機(jī)，噴水推進(jìn)，還可搭載光電偵察系統(tǒng)、目標(biāo)搜索系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及小口徑艦炮(具有岸基、?；?、空基3種平臺(tái)控制模式)。

圖8 “Starfish” 號(hào)無(wú)人艇

1.3 其他國(guó)家

法國(guó)在無(wú)人艇領(lǐng)域的典型代表主要有ACSA公司的“Basil” 號(hào)(見(jiàn)圖9)、Sirehna公司的“Rodeur”號(hào)無(wú)人高速滑行艇(見(jiàn)圖10)，其中“Rodeur” 水面無(wú)人艇可執(zhí)行多種任務(wù)，包括反水雷、反潛、偵察監(jiān)視、海上安防、海洋環(huán)境探測(cè)及調(diào)查等。

圖9 “Basil” 號(hào)無(wú)人艇

日本對(duì)無(wú)人艇的相關(guān)研究工作也開(kāi)展得相對(duì)較早。日本Yamaha公司研發(fā)的無(wú)人高速軍用艇(Unmanned Marine Vehicle High-speed, UMV-H)采用深V形設(shè)計(jì)，長(zhǎng)4.44 m，最大航速40 kn，兼具遙控和自主兩種模式，如圖11所示。此外，Yamaha公司針對(duì)海洋水文氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)及生物化學(xué)科考任務(wù)研發(fā)了無(wú)人海洋探測(cè)艇(Unmanned Marine Vehicle Ocean type， UMV-O)，該型首艇“Kan-Chan”已于2003年交付給日本科技廳投入使用，如圖12所示。

圖10 “Rodeur”號(hào)無(wú)人艇

圖11 “UMV-H” 號(hào)無(wú)人艇

圖12 “UMV-O” 號(hào)無(wú)人艇

“Charlie”號(hào)雙體無(wú)人艇(見(jiàn)圖13)由意大利機(jī)器人技術(shù)集團(tuán)研發(fā)，該艇艇長(zhǎng)2.4 m，寬1.7 m，并配備GPS及KVH型陀螺儀，其電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為鉛酸電池、太陽(yáng)能電池板聯(lián)合供電，螺旋槳推進(jìn)。

圖13 意大利“Charlie” 號(hào)無(wú)人艇

此外，英、德、葡萄牙等國(guó)也研發(fā)了各自的水面無(wú)人艇，如 “Springer”“Swordfish”和“See-Wiesel”等，如圖14～圖16所示。

圖14 英國(guó)“Springer” 號(hào)無(wú)人艇

圖15 “Swordfish” 號(hào)無(wú)人艇

圖16 “See-Wiesel” 號(hào)無(wú)人艇

2 國(guó)內(nèi)水面無(wú)人艇研究現(xiàn)狀[2]

國(guó)內(nèi)無(wú)人艇的研究起步較晚，且市場(chǎng)上并未有集駕駛、遙控、自主航行功能于一體的水面艇系統(tǒng)，這就要求研究人員必須針對(duì)無(wú)人艇的任務(wù)需求、艇體特征及總體布局要求，結(jié)合系統(tǒng)功能、經(jīng)濟(jì)成本等因素的約束條件限制，設(shè)計(jì)并構(gòu)建無(wú)人艇系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)主要從事水面無(wú)人艇的研究機(jī)構(gòu)有沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、哈爾濱工程大學(xué)、上海大學(xué)、上海海事大學(xué)、中國(guó)航天科工集團(tuán)沈陽(yáng)新光公司、珠海云州公司等。

(1) “Silver Frog”號(hào)無(wú)人艇。上海海事大學(xué)研制的“Silver Frog”號(hào)無(wú)人艇為雙體型鋁合金多任務(wù)通用平臺(tái)(見(jiàn)圖17)。該艇艇長(zhǎng)2.7 m，寬1.48 m，型深0.36 m，艇重60 kg(此時(shí)航速可達(dá)6 kn)，有效載荷100 kg，由60 Ah的鋰電池組供電給直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙螺旋槳推進(jìn)。該艇的控制系統(tǒng)由載體平臺(tái)控制系統(tǒng)和岸基監(jiān)控系統(tǒng)兩部分組成，岸基監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(有效通信距離可達(dá)1海里)下達(dá)人機(jī)交互指令給載體平臺(tái)控制系統(tǒng)，進(jìn)而操控?zé)o人艇。

圖17 “Silver Frog” 號(hào)無(wú)人艇

(2) “Triple-hulled” 三體無(wú)人艇。沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所開(kāi)發(fā)的三體無(wú)人艇“Triple-hulled”(見(jiàn)圖18)采用了類似“Silver Frog”的設(shè)計(jì)：直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)推進(jìn)方式，無(wú)人艇平臺(tái)分為地面控制系統(tǒng)、無(wú)線傳輸設(shè)備和艇載控制系統(tǒng)3個(gè)部分。該艇配備了線加速度/角速度傳感器、陀螺儀、羅經(jīng)和GPS等，最高航速可達(dá)6 kn。

圖18 “Triple-hulled” 號(hào)無(wú)人艇

(3) “天象1號(hào)”無(wú)人艇。2008年，中國(guó)航天科工集團(tuán)沈陽(yáng)新光公司研制出了“天象1號(hào)”無(wú)人艇(見(jiàn)圖19)。該艇總長(zhǎng)6.5 m，船體采用碳纖維，配有GPS、雷達(dá)、圖像傳輸和處理系統(tǒng)等多種傳感器設(shè)備，具備自主和遙控兩種模式，該系統(tǒng)作為應(yīng)急裝備成功為2008年的青島奧帆賽提供了氣象保障服務(wù)。

圖19 “天象1號(hào)” 無(wú)人艇

(4) “XL”號(hào)無(wú)人艇。哈爾濱工程大學(xué)水下機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是國(guó)內(nèi)較早從事無(wú)人潛水器和無(wú)人艇等無(wú)人系統(tǒng)研究的單位之一，長(zhǎng)期從事無(wú)人潛水器和水面無(wú)人艇相關(guān)技術(shù)的攻關(guān)研究，取得了多項(xiàng)國(guó)際先進(jìn)國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的技術(shù)成果，突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，如系統(tǒng)仿真技術(shù)、自主駕控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、避碰規(guī)劃技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)及路徑跟蹤技術(shù)等?！癤L”號(hào)無(wú)人艇采用單體高速滑行艇艇型設(shè)計(jì)，搭載雷達(dá)、光視覺(jué)、紅外視覺(jué)等傳感器，具備自主感知和自主航行能力，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜障礙環(huán)境下、甚至動(dòng)態(tài)目標(biāo)的自主避碰航行。“XL”號(hào)無(wú)人艇如圖20所示。

圖20 “XL” 號(hào)無(wú)人艇

3 結(jié)束語(yǔ)

總體說(shuō)來(lái)，水面無(wú)人艇方面的發(fā)展相對(duì)其他無(wú)人系統(tǒng)平臺(tái)較為滯后，但自主程度在不斷提高，不同于遙控型、半自主型，全自主型無(wú)人艇的實(shí)現(xiàn)還處于研究探索階段，這主要?dú)w結(jié)于一些與平臺(tái)智能及任務(wù)載荷相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)尚需進(jìn)一步提高，如智能優(yōu)化技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)、布放回收技術(shù)、基于無(wú)人艇平臺(tái)的發(fā)射控制技術(shù)等。未來(lái)一旦突破這些關(guān)鍵技術(shù)，將會(huì)拓展無(wú)人艇的任務(wù)領(lǐng)域由傳統(tǒng)的情報(bào)、監(jiān)視、偵查向反潛、反艦等打擊任務(wù)領(lǐng)域發(fā)展，使得其成為水面艦艇作戰(zhàn)力量的重要組成部分，改變傳統(tǒng)的水面戰(zhàn)裝備體系構(gòu)成，使水面戰(zhàn)的作戰(zhàn)樣式發(fā)生革命性變化。

[1] 尚燕麗. 海軍發(fā)展無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)的需求、現(xiàn)狀與展望[J]. 國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ), 2009，1：40-43.

[2] 廖煜雷. 無(wú)人艇的非線性運(yùn)動(dòng)控制方法研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué), 2012.

[3] YAN R J, PANG S, SUN H B，et al. development and missions of unmanned surface vehicle[J]. Journal of Marine Science and Application, 2010,9(4):451-457.

[4] MANLEY J E. Unmanned surface vehicles, 15 years of development[C]//Oceans, Quebec City, Canada, 2008: 1-4.

[5] 宋磊. 全球自主：國(guó)外無(wú)人水面艇未來(lái)發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 軍事文摘, 2015，13：26-28.

Development of Unmanned Surface Vehicle

ZHU Wei1， ZHANG Lei2

(1.Navy Representatives Office of Hudong Zhonghua Shipbuilding Co.， Ltd.， Shanghai 200129, China；2.School of Ship Building， Harbin Engineering University, Harbin 150001, Heilongjiang, China)

With the constantly deepening of human exploration of the ocean and the successful application in the military, more and more extensive attention has been paid to unmanned surface vessels. The characteristics of the unmanned surface vessels are described, and the current situation and development trend of domestic and international unmanned surface vessels are analyzed. Several directions for further research are provided,which is of reference value for the researchers.

unmanned surface vehicle; artificial intelligence； autonomy； reliability

朱 煒(1979-)，男，工程師，研究方向?yàn)榇半姎?/p>

1000-3878(2017)02-0001-06

U674

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