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中国电气工程学报【2020年第11期】

  • ID:275016
  • 浏览:336
  • 学科:文化科学
  • 更新时间:2021-06-10 09:09:07
  • 期刊: 中国电气工程学报
内容简介
《中国电气工程学报》由中国机械工业联合会主管,机械工业信息研究院主办。杂志主要刊登电力工程等方面的文章。

无人水面艇(USV)研究现状及发展趋势探讨

2021-06-10 09:12:57 文化科学 刘剑刚
资料简介

摘 要:介绍了无人水面艇(USV)的概念,阐述了无人水面艇研究现状和主要成果。对无人水面艇的关键技术进行了描述,进行了无人水面艇的国内外比较与发展趋势研究探讨。对无人水面艇需求与展望进行了论述。

无人水面艇 (USV)研究现状及发展趋势探讨

刘剑刚

中国船舶集团有限公司第七一〇研究所,湖北 宜昌 443003

摘 要:介绍了无人水面艇(USV)的概念,阐述了无人水面艇研究现状和主要成果。对无人水面艇的关键技术进行了描述,进行了无人水面艇的国内外比较与发展趋势研究探讨。对无人水面艇需求与展望进行了论述。

关键词:无人水面艇;研究现状;发展趋势;关键技术


0 引 言

近年来,各国在军用和民用领域加大了科研力度,掀起一股无人水面艇的研究热潮。无人水面艇(USV)是指依靠船载传感器,以自主或半自主方式在水面航行的智能化平台,可广泛应用于海洋运输、海洋环境调查、海洋资源探测、海洋考古、水上搜救、情报搜集、海事训练测试、侦察取证、警戒巡逻、火力打击、舰艇护航、反水雷和反潜等任务。无人水面艇是网络化无人系统中的重要节点,将颠覆传统海战样式,催生全新海洋装备体系,对海洋资源开发和国家海洋权益维护具有重要的意义,受到世界各海上强国的高度重视。


1 无人水面艇研究现状

无人水面艇相较于其他无人系统发展滞后。不过无人系统在很多层面上,尤其是在自动化学科领域有很多共通点,因此无人水面艇可在其他无人系统研究成果的基础上,根据所面临的特殊挑战(如海洋环境、船体模型等)进行开创性研究。在美国和以色列这2个当今世界上无人水面艇技术最先进的国家,无人水面艇的发展在很大程度上得益于其无人机、无人地面车辆和无人潜航器等无人系统上的优势。特别是美国无人水面艇在很大程度上借鉴了火星无人车Rover的算法及其软件框架CARACaS。

1.1 无人水面艇的态势感知

无人水面艇的态势感知可以描述为:依据使用需求配置各种类型的传感器进行互补,实现水下-水上、近距和远距目标探测,并针对每种传感器的特性对目标进行检测、跟踪、识别等由粗至精的融合处理,从而提取目标的关键要素,并依据实际任务需求所需的目标属性,构建出覆盖“水上-水下”的多尺度、多维度立体综合环境态势图,从而实现无人水面艇对周围环境的自主、准确及有效的认知。无人水面艇所搭载的传感器一般有激光雷达、相机(含可见光和红外)、雷达、声呐和自动识别系统(AIS)等,其所获取的感知数据通过融合处理即可形成态势感知图。目前,基于地面无人车和空中无人机平台的态势感知的一些研究成果已经可以应用于无人水面艇中,但是无人水面艇本体和工作环境具有一定的特殊性,其在态势感知方面除了受光照、雾天等影响外,还面临特殊挑战,如海面目标可观性弱、船体晃动剧烈、海杂波强和水下目标探测困难等。

与国外相比,我国适于无人水面艇的传感器设备和自主处理系统相对比较薄弱。为此,针对无人水面艇的任务需求和海洋环境,研制出稳定高效的自主感知传感器,形成相应的理论体系和技术架构,提升环境感知和认知能力是我国无人水面艇态势感知的重点研究方向。

1.2 无人水面艇的航行规划和导航

无人水面艇航行规划和导航过程可以描述为依据态势感知图,综合考虑任务需求、航行安全(搁浅和气候等)、航行空时效率(时间、距离和偏差等)、航行规则(海事避碰规则)、船体操纵性(最小转弯半径等)和环境不确定性(障碍物状态不确定等)等要素,在满足无人水面艇航行安全性的前提下,发挥无人水面艇的效能。无人水面艇航行规划和导航不仅同其他无人运载系统一样面临动态不确定环境感知问题,而且具有一些特殊挑战,如海事避碰规则多且具有多模糊属性,船体时滞性大、惯性强且不同船型相差大。无人水面艇航行规划和导航分为:全局航路规划和局部反应式导航。全局航路规划从全局可用信息角度来规划满足任务需求的安全高效航向;而局部反应式导航以满足全局航路规划为目的,根据当前状态和局部环境信息进行局部调整,且同全局航路对接。

全局路径规划通常能高效安全地解决路径到达和路径覆盖这2个问题。首先,全局路径规划需定义路径规划的位姿空间;然后,根据搜索算法,如A*, D*和神经网络等,获取满足任务需求的安全优化路径。全局路径规划需针对无人水面艇的机动特性和相关航线评价标准,利用直线和弧线等几何形状生成至少2阶可微的光滑路径。路径曲率的不连续将会导致无人水面艇船体等欠驱动系统的横向加速度的不连续,从而最终导致无人水面艇艏向控制器的控制受到影响。Candeloro等基于Fermat spiral和Voronoi图方法规划生成曲率连续且满足避障要求的航线;Lekkas从航线光滑程度、航路精度、可跟踪性和计算时间建立了航路评价标准,并以此标准采用单调3次Hermite样条插值方法生成光滑航路。

局部反应式导航分为跟随/跟踪导航和局部反应避障,二者相互融合形成最终的局部反应式导航律,其中局部反应避障优先级高于跟随/跟踪导航。完成全局航路规划任务需分二步走,第一步证明局部反应式导航的稳定性和收敛性,第二步证明由导航律和控制器构成的级联系统的稳定性和收敛性。根据任务场景不同,跟随/跟踪导航可分为目标跟踪、路径跟随、路径跟踪、路径机动。跟随/跟踪导航经常采用导弹中的视线(LOS)导航、Pure Pursuit和Constant Bearing制导思想。Lekkas等提出了时变前向距离LOS方法以提升LOS导航方法的稳定性;Fossen等提出了积分LOS,以应对慢时变干扰条件下的导航。基于虚拟目标的跟随/跟踪导航可参考文献。

目前,已有的关于无人水面艇的航行规划和导航的研究较多,不过还需进一步提升其智能性。为此,需利用当前人工智能理论基础和方法,解决开放、动态和在不确定场景下的意图判断及其表征问题,以提高宏观航路规划和微观的紧急状态判断和处理能力,从而实现有人水面艇和无人水面艇的共融驾驶。

1.3 无人水面艇的控制

无人水面艇的控制是以导航输出作为期望输入,同导航律构成稳定级联控制系统,解决航行过程中的动态定位、轨迹跟踪、路径跟踪等控制问题,使无人水面艇能够稳定地做出各种航行所需动作。然而,无人水面艇的控制面临模型高度非线性和不确定性、系统欠驱动、船体本身和执行机构时滞性、执行机构饱和特性、不可预测的强外部干扰和系统故障等挑战。

同其他控制系统一样,无人水面艇的控制包含模型、模型辨识和控制器3部分。船舶动力学研究可以分为2个基础领域:操纵性研究和耐波性研究。操纵性研究是指没有浪干扰条件下的平面运动性能的研究,操纵性模型通常用3或4自由度进行表征;耐波性研究是指存在浪干扰条件下的航速和航向保持能力的研究,耐波性模型需用6自由度进行表征。操纵性和耐波性的结合称为波浪中的操纵性。

由于无人水面艇模型所面临运行环境的动态性和复杂性,实际应用过程中通常采用复合控制方法和结构来提升控制性能。应将其与态势感知结合,感知外部环境干扰和内部自身状态变化,从而对外部干扰和内部状态进行估计和预测,形成控制态势感知图;再将人工智能方法学习人工驾驶策略与传统控制方法结合,以满足各种任务对航行的需求。


2 国内外比较与发展趋势

21. 国际无人水面艇研究趋势

无人水面艇的发展将会在已有无人系统成熟体系技术的基础上,根据其所面临的使用需求和挑战,形成无人水面艇系统自身独有的技术体系和产品体系,如美国的无人水面艇技术借用了火星无人车Rover的相关软件体系架构和基础技术,以色列无人水面艇技术也借用了美国在无人车和无人机上很多先进的无人技术。

未来无人水面艇将朝着体系化、标准化、智能化和群体协同化方向发展。这里,体系化表示无人水面艇作为无人系统的一部分,已形成系列化产品;标准化体现为设计标准模块化接口,根据任务需求对任务载荷实现快速换装,达到一船多用的目的;智能化体现为利用多传感器融合处理技术、环境认知技术、人工智能技术和控制技术实现无人水面艇的智能性;群体协同化体现为无人水面艇之间的协同、无人水面艇和人之间的协同、无人水面艇和其他无人和有人系统的协同。国外正逐步形成需求分析、科学研究、仿真验证、工程研制、实体验证和装备生成的完备体系,以加速提升技术和推广应用。

2.2. 国内研究现状

在国内,几年无人水面艇的研究已取得了快速的发展。上海大学研制的“精海”系列无人水面艇配备北斗导航系统,可实现自主定位、航迹自主跟踪、航迹线远程动态设定、障碍物自主避碰等,并搭载了海洋测量设备进行海底地形地貌勘测和海底管道探测;搭载水质监测设备实现海洋常规“体检”。除此之外,国家海洋局第一海洋研究所、哈尔滨工程大学和上海交通大学等科研院所,以及海兰信、武汉劳雷绿湾、中国船舶重工股份有限公司等许多企业也都对无人水面艇技术开展了研究。目前,我国无人水面艇正针对民用和军用领域需求开展广泛研究。

虽然我国无人水面艇已具备一定的自主环境感知、路径规划、自主避障和自主控制能力,并能根据需求完成相应的测绘、勘测、环境监视和巡逻等任务,但是技术水平相对较低,同美国、以色列、挪威和英国等国家相比还是存在较大差距。我国大部分无人水面艇目前主要处于遥控和自主性较弱阶段,除了船型、动力、通信技术、传感器技术外,在态势感知、航行规划和导航及其控制方面都有较大差距。其中原因很多,除了已有的技术落后外,主要是无人水面艇整体研究缺乏统一系统的长远规划,产学研用没有形成一个良性循环有机整体。


3 无人水面艇关键技术

3.1任务模块技术

发展任务模块技术首先要设计还载体的结构,并为整个模块化的系统订立一个标准。整体的结构要适合模块的更换,同时也要尽量适合航行体的基本结构要求等,例如总体结构的压力要求,水密性能,载荷等基本条件都必须要得到满足。并且在整个结构中要尽可能的使用标准化的接口,以便于其它设备及模块的接入。模块中的设备应选用兼容性好的设备,这样有利于新设备的替换,同时扩展性也比较好。

3.2高度智能化技术

由于水中的工作环境的复杂化和不可预知性,因此无人水面作战平台USV系统应该不断的改进和完善自身的智能体系结构,加强系统的应对变化的能力,提升系统的自主学习的能力,使无人作战平台拥有更好的自主性和适应性。USV无人系统作战平台的自主性和适应性主要由系统的人工智能技术、集成控制技术和软件系统的性能决定的。目前,人工智能技术主要是人工神经网络技术和基于符号的推理技术,两项技术各有优缺点,因此,将两项技术结合开发利用可以提高系统的学习和适应能力。对于系统软件的设计和系统集成控制方面,很多国家都在进行研发,主要集中在以下几个方面:多传感器信息的融合和识别,兼容性好的软件结构体系,潜水器的闭环运动控制技术等等。

33动力推进与能源技术

目前的水面无人艇系统作战平台的工作范围受动力能源的影响很大,续航能力决定了它们的工作范围,能源的效率决定它们的动力性能。目前的无人作战平台的航速普遍较低,一般都在10节以内,并且工作范围也比较小,工作时间短,这都是受到了动力性能的限制。因此要提高无人作战平台的能力,提高其动力性能是十分必要的。现在大多数的水中无人平台的能源主要是:银锌电池,锂电池,碱性蓄电池,铝氧半燃料电池等,这些电池虽然应用比较广泛,但是也都存在一定的不足。为了提高无人作战平台的续航力,应开发发电效率更高、费效比高、可反复使用的新的能源来提高其动力性能。

3.4导航与定位技术

水中无人系统作战平台上的探测与导航设备就是平台的“眼睛”,平台在水中工作时完全依靠探测和导航设备的收集的信息来进行航行和定位的。无人作战平台能否航行到指定地点进行作业和完成指定的任务,导航技术起到了至关重要的作用。目前的水中无人作战系统平台的导航设备主要有惯性导航系统、GPS系统、多普勒速度仪等。目前的水中无人作战系统平台多采用多种技术组合的导航方式,即利用GPS定位系统结合水下声波定位的方法进行定位,利用惯性导航系统、多普勒速度仪和卡尔曼滤波器等等设备结合声纳和摄像机拍摄的图像数据进行导航。但是,目前在多种设备的数据融合方面还存在着不足,需要继续的完善。同时一些国家在开发新型的导航技术,如海底地形匹配导航和重力磁力导航技术等等,都是发展导航技术的新的方向。

3.5 通信技术

水面无人作战平台系统的通信联络是多个平台之间信息交换的主要方式。目前水面无人作战平台的通信方式主要有水声通信和光纤电缆通信两种,其中利用光纤电缆通信属于有线通信,它是利用电缆和光缆作为传输媒介来传递信息,它的特点是传输信号速度快、可靠性高,但是需要有光缆和电缆来连接两个工作单位,这就限制水中平台的作业范围和灵活性;而水声通信属于无线通信方式,它的作用距离取决于使用设备的载波频率和发射功率,它的传输速度比较低,传输信息的距离也十分有限,同时水声通信受到环境的影响也很大。研究水声通信是目前各个国家的发展的重点,他们主要集中于研究水声高速度、远距离传输技术和传输安全性等问题。


4 发展趋势

无人水面艇将会成为无人系统中连接空中、地面、水上和水下各节点的重要中继节点。随着对海洋的越来越多的重视,各国及其相应的海洋机器人公司将会根据实际使用需求研制无人水面艇。无人水面艇主要有3个应用方向:军用船、科考船和海运船。目前军用船和科考船产品已被成功研制并应用于实际需求中,而海运船正处于预研阶段,预计在2035年将出现自主远洋无人水面船舶。

军用方面,无人水面艇可以在侦查、威慑、防御和攻击等方面成为海军的主要力量倍增器,无人水面艇可用于敌我身份不明等危险情况下的海上任务,以保护海军作战人员生命安全,提高作战效率和效能比;科考方面,无人水面艇可以搭载相应的探测设备实现无人和有人的协同探测,降低测绘人员的工作强度和操作风险;海运方面,无人水面艇能够降低人工成本,节能降耗,减少事故。自主无人水面艇必将成为海运行业的未来发展重点。

随着技术的发展及其智能性的提升,无人水面艇将会被广泛应用于海洋运输、扫雷、反潜、巡逻、科学考察、测绘、事故监测及救援、石油开采等领域。与其他无人系统相比,无人水面艇将成为第一个具有突破意义的无人产业化支柱。


5 结束语

无人水面艇是海洋机器人的一个重要分支。随着各海洋强国和大国对海洋的重视,已有的无人技术将会被利用。美国和以色列等无人水面艇强国,在已有无人系统技术的基础上,经过数十年体系化的积累,已形成较完备的理论和技术体系。我国应以需求为导向,针对无人水面艇面临的特殊问题和挑战,加快无人水面艇关键技术理论体系研究,尽快在各个领域形成体系化和标准化的无人水面艇装备,提升国家在海洋装备体系水平。