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一文看懂无人船现状及发展趋势

2020-7-10 11:58| 发布者: 炼数成金_小数| 查看: 48290| 评论: 0|来自: 海洋信息

摘要: 无人船由平台系统和任务载荷系统组成,两系统之间通过通用接口进行集成。平台系统包括平台本体分系统、动/能分系统、感知分系统、控制分系统、通信分系统和交互分系统,六个分系统共同组成无人船最基本的通用单元, ...
引言:
随着第三次工业革命信息技术产业的大发展以及第四次工业革命智能化产业发展的来临,无人装备制造领域取得了快速发展,其中无人机和无人汽车已经逐渐走进人们的生活,此外,无人装备制造中的无人船艇也在逐渐进入人们的视野,并取得了飞速发展。无人船是无人水面航行器(Unman Surface Vehicle)的简称。广义的无人船是指一种可执行某类指定任务,并基于任务目的进行功能、性能设计的水面机器人;狭义的无人船则是指具有一定机动能力的水面自主、半自主、遥控搭载体。


01、无人船的系统组成
无人船由平台系统和任务载荷系统组成,两系统之间通过通用接口进行集成。平台系统包括平台本体分系统、动/能分系统、感知分系统、控制分系统、通信分系统和交互分系统,六个分系统共同组成无人船最基本的通用单元,可以独自操作运行,是为完成不同任务而设计的搭载平台。任务载荷系统指无人船用以执行任务的仪器设备及配套伺服机构、装置,可根据不同任务目的、用途规划出不同的任务载荷系统。


图1 无人船系统组成

其中,平台系统各分系统定义如下:
1、平台本体分系统:包括船体设计与布置、材料与结构以及平台机械,是无人船最基本的组成部分,为整个系统提供浮力、布置空间、执行机构以及必要的防护条件;
2、动/能分系统:包括推进系统和电源供给系统,为无人船提供必要的水面机动能力,并为控制系统和任务载荷系统等提供电力支持;
3、感知分系统:包括定位导航系统、外部环境感知系统和平台状态感知系统,为无人船运动决策与控制、自身状态监测提供必要的数据源及硬件、接口支持;
4、控制分系统:包括控制系统硬件和软件,是无人船的“大脑”,通过全船的感知及控制设备,为无人船处理、分析外部空间及内部环境信息,并根据核心控制算法实现自主航行、自主避障等功能;
5、通信分系统:包括控制端通信设备和执行端通信设备,为无人船搭建执行任务所需数据链路;
6、交互分系统:包括支持设备和交互软件,为操作人员对无人船实施控制、了解状态信息、下达自主指令等操作;

任务载荷系统定义如下:任务载荷系统指无人船用以执行任务的仪器、设备、武器及配套伺服机构、装置等,一般设计为即插即用模块,可根据不同任务目的和用途规划出不同的任务载荷系统。

02、无人船的关键技术
无人船是海洋技术发展的产物,海洋技术发展目的是为了提升获取数据的精度、准度、广度以及连续性,同时提高获取数据过程的安全性并降低其成本。海洋技术分两个大方向,一是平台技术或称运载技术,主要指搭载体的设计、开发及应用等,另一个是传感器技术或称载荷技术,主要指仪器设备的设计、开发及获得数据的解析、存储和处理等。从学科方向划分上来讲,狭义的无人船属于海洋技术领域的平台技术。因此,无人船的核心技术与海洋技术领域的核心技术是一致的,实质就是围绕任务目的、载荷原理、使用环境特点,以应用开发、功能开发为主体的系统设计,其关键技术主要包括以下几个方面:

⒈特型平台设计技术
围绕任务载荷原理、使用要求、作业方法等,对平台进行针对性设计,如振噪抑制、削弱航行扰动、动稳性优化、电磁兼容性优化等。常规海洋调测使用的仪器设备多为声学、光学、电化学接触式传感器。无人船吃水浅、布置空间紧凑,因此各种仪器设备容易受到平台振动、自噪声、航行过程中的晃动和产生的水花、气泡附面层以及电磁辐射和动力系统排放等的影响,造成数据质量和作业效率下降。因此在无人船设计方面,就需要从系统效能的角度出发,围绕任务载荷原理和对工作环境要求,对无人船从线形和结构设计、载荷布置方式、动力系统选型、推进装置优化、运动控制策略设计、供电系统设计等方面进行有针对性的特殊设计和处理。

⒉强扰动环境下的运动控制技术
针对海洋动力环境中风、浪、流对水面载具的影响,开发欠驱动运动控制算法,实现如高精度循线航行、高海况自航、自守位等功能。常规海洋调测多采用循线走航探测或定点剖面观测的方式作业。无人船体量小、推力有限,且属于典型的欠驱动运动体,因此容易受到海面动力因素的扰动,出现偏航距超限、航向不稳定、失速及大幅度摇动导致甲板上浪甚至倾覆的情况。因此在无人船运动控制方面,需要设计基于定位、姿态数据的前馈控制进行运动补偿,通过无人船实时位置、航速、艏向、横纵摇、升沉数据,判断风、流的恒定扰动以及波浪的周期性扰动的强度、方向,结合无人船惯性力、阻力、恢复力运动模型,提前干预推力矢量输出,确保无人船能够在以较高精度循线航行,或在高海况下通过艏向、推力调节确保无人船不失速及发生大幅度横摇。

⒊通信技术
针对高动态、多径效应影响突出的海面、水下复杂环境,开发健壮性强、稳定性好、低时延、高带宽的微波、水声通信技术。海上通信主要依赖微波(海面)和声学(水下)两种手段。无人船上建高度有限,且体量小、吃水浅、横纵摇、升沉幅值大,微波通信设备天线距水面高度小同时存在较大摇晃幅度的情况下,通信距离首先,且容易受水面多径效应影响造成信噪比下降,而水声通信由于带宽有限,往往只能进行极为有限的树下数据链支持。因此在无人船通信技术方面,需根据海洋环境的特殊性对通信系统进行设计,开发可应对高动态复杂水面环境的微波通信技术,以及更高带宽的水声通信技术,尤其是针对同构、异构平台间的多节点组网、跨介质通信,仍有较多难点需要解决。

03、无人船应用领域及发展现状
目前无人船从用途上,可分为两大方向,海洋调查和测量(简称海洋调测)和防务。

海洋调测类无人船通常对速度要求不高,通常在10kn以内,但对平台载荷适配性设计、自主运动控制能力、续航力等要求较高。

从任务目的来说,海洋调测总体可分为海洋地球物理探测和海洋环境要素观测两个大方向,前者主要包括海洋测绘、沉积环境调查、水下目标检测等任务,后者则涵盖了物理海洋(气象、水文)观测、海洋生化指标监测、海洋生物观测等。

防务类无人船则对航速有较高要求,应急、巡逻无人船通常较高航速需达到20kn以上,而可执行舰队级战术支持任务的军用截击无人船则需达到40kn以上。

从任务目的来说,防务类总体可分为要地巡逻、海上事故应急处置、区域战术支持三大方向,第一个方向主要面向重点港口、海上构筑物、航道区域的巡检;第二个方向主要面对海难、海上环境事故等的现场侦查取证、人员和设施救助以及污染物处置等;第三个方向主要面对配合大型水面舰只进行舷外干扰、电子对抗、火力打击、区域反介入等。

综上所述,作为一种水面自主平台,搭载相应任务载荷的无人船相对于传统载人船舶而言,其优势在于灵活机动、安全、隐蔽性强、运维费用低廉,未来发挥作用的场景主要包括以下三种:
1、代替从业者执行劳动强度大、安全风险高的工作;
2、代替从业者执行重复性、长周期的工作;
3、取代部分施工成本高、人力投入大的工作模式或方法。

目前国内外有大量机构在进行无人船技术的研发工作,其中企业包括:美国科学应用公司、美国通用动力公司、美国诺格公司、以色列埃尔比特系统公司、以色列拉斐尔先进防务系统公司、以色列航空工业公司、英国奎纳蒂克公司、英国ASV公司、德国阿特拉斯电子公司、法国ECA公司、日本雅马哈公司、中国云洲智能科技等;科研院所、高校包括:美国海军研究局、DAPPA、中国科学院沈阳自动化研究所、中国船舶重工集团公司旗下各研究所、哈尔滨工程大学、海军工程大学、上海海事大学、大连海事大学、上海大学等。

在国家级资助研发项目方面,欧盟依托地平线2020计划支持了无人智能船舶、低碳船舶技术等相关研究,中国依托科技部863计划支持了远程快速水面无人船的相关研究。

技术成熟度方面,美国等发达国家高度重视自主型USV发展,持续大力投入,目前在研和现役无人船共约19型63艘(其中美国研制的数量约占总数的50%),在反潜、反水雷、情报侦察、海洋环境调查等领域发挥了重要作用。

国内无人船技术研究起步较晚,且研发机构以高校、科研院所为主,因此产品化、工程应用方面较弱。前期重点发展专用遥控船船(不具备自主控制能力),目前已进入自主式无人船发展阶段,现有的一些成熟的无人产品在海洋调测等方面已投入使用,且出现具备自主驾控能力的无人船产业化产品,但在体量超过20m的无人船方面还未出现产品或工程样机。

国内外相关的典型技术和应用成果如下:

1、Ocean Infinite公司使用L3-ASV公司生产的C-Worker8作为水面通信节点和水下导航定位支持系统,通过与搭载声学探测设备的AUV组网协同搜索马航M370残骸。

图2 USV和AUV跨介质组网协同工作

图3 无人船搜索马航M370残骸

2、Sail Drone公司推出的风帆动力无人船:通过将原生海洋能作为直接动力实现超长航时,执行中、大尺度物理海洋观测任务。

图4 Sail Drone风帆动力无人船

图5 Sail Drone风帆动力无人船在冰岛附近海域进行水文观测

3、法国ECA公司开发了“Inspector Mk”系列USV可执行浅水/极浅水测量和检查、濒海/沿海水文测量工作、海港/海上设备监测和保护、目标探测和分类等典型任务。

图6 ECA公司“Inspector Mk”系列无人船搭载相干声呐条带测深系统、侧扫声呐和水下机器人用于扫猎雷

4、哈尔滨工程大学在科技部“863项目”支持下开发了“天行一号”无人船。复合动力推进,航速超过50节。具备自主完成地形地貌测绘、水文气象信息采集能力。

图7 哈尔滨工程大学“天行一号”无人船

5、中国第34次南极科考航次使用珠海云洲智能科技有限公司设计、制造的M80海底探测无人船对罗斯海难言岛周边进行全覆盖水深地形测量,为新站建设时雪龙号锚地选址提供依据。


图8 珠海云洲公司M80海底探测无人船搭载多波束条带测深系统进行水下地形测量

04、无人船技术发展趋势展望
目前无人船绝大多数采用了基于载人船配置方式的常规设计,其作业方式、使用方式也极大程度上参考了常规海洋调测船的施工惯例和模式,无人船系统的操作性、稳定性很大程度上取决于船体性能、通信能力和自主控制精度,无人船还无法形成独立、完整的作业能力,因此现阶段无人船的运用是作为传统技术手段的复制和补充。

未来随着材料技术、传感器技术、智能控制技术以及相关法规的发展,无人船将逐步脱离传统船舶的设计思路,设计开发将从“以船为核心”转化为“以任务目的为核心”,无人船将从一种智能化水面搭载平台转变为针对某任务目的的作业系统,对人工干预的依赖性逐步降低,从控制端指令驱动的系统逐步发展成事件驱动型分散式系统,初步具备独立、完整的作业能力,可替代部分传统调查手段和方法,同时随着各种针对无人平台特点研发的新型任务载荷将大幅度提升无人船作业能力,催生出更多的基于无人船应用的系统解决方案。

目前初见端倪的两类发展方向是新式特型平台和多智能体异构集群协同能力的扩展。新式特型平台突出单体针对特殊任务或极端环境的适应能力,如具备多模机动能力的可潜无人船,i7 Engineering公司研发的SUBMARAN风帆可潜无人船,该产品带有一面可收折的刚性帆,在水面航行时通过刚性帆调节攻角进行航行,在暴风浪环境下可潜入水下驻留或利用电能航行,该类可潜无人船预计在极端气象过程观测、水下侦听等特定领域会有较大的发展;另一类发展方向是多智能体异构集群协同能力,其对跨介质通信能力、运动控制算法等的依赖度较高,虽然目前已有部分机构取得了突破性进展,如Ocean Infinite公司的USV和AUV的跨域组网,云洲公司的多船协同等,但针对更广阔的海洋调测、防务应用层面,技术水平仍有待提升。

随着未来无人船相关领域的发展,其技术成熟度会逐渐加深,应用范围逐渐扩展,尤其是在深远海调查、工程领域,无人船将逐步取代部分常态化观测、监测、支持技术,转化为海洋调测、海洋工程的一种常规手段,同时系统具备完全独立、完整的作业能力,传统海洋作业模式将发生翻天覆地的变化。

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