水面无人艇(USV)的关键技术

水面无人艇（USV）的关键技术

水面无人艇（Unmanned Surface Vessel,USV）近年来受到国内外越来越多的关注。国内外USV的最新进展和成果前文已经介绍过了，这里不再累述，本文重点介绍USV的控制方式、动力机构、自动避碰技术及路径优化和未来技术发展，并针对我国内河环境展望了USV在航道数据测量和海事巡航方面的应用前景。

一、USV技术发展

（一）USV控制方式

USV 船舶控制方式主要有3种，即远程遥控、自主航行、远程遥控/自主航行双模。

1.远程遥控

远程遥控是利用远程通信技术实现USV与岸上控制中心的信息交互，达到远程操控船舶的目的。在USV航行时，控制中心与其交互的信息包括航行状态信息、视觉信息、故障诊断信息和控制指令等。考虑到通信数据量大、实时性需求高的特点，比较适合的远程通信技术主要有WiFi，蜂窝网和卫星通信等，其中WiFi由于具备网络传输速率高、抗干扰能力强等特点，比较适合几百米范围内的通信，蜂窝网需

要在其覆盖范围内使用，而卫星通信不受距离限制，但成本较高。

2.自主航行

ASV与USV在概念上有所区别，主要表现在：①ASV 的航行、碰壁策略由自动控制系统提供，自动控制系统由远程控制中心或者由船舶自身控制，但船舶上允许有维护和服务人员；②USV可以是自主航行，也可以远程控制，但船舶上没有人。ASV要求船舶自身具有完整的动力控制系统、航迹/航向控制系统、自动避碰系统、故障诊断系统和应急处置系统。ASV一旦失控可能会造成十分严重的后果，因此在航行时ASV应与普通船舶一样遵守相同的交通规则，且一旦有故障发生，应采取应急措施。

3.远程遥控/自主航行双模

以目前理论水平和技术条件而言，完全替代人来操控船舶是很难实现的。采用远程遥控/自主航行双模这样一种比较常见和安全的控制方式是比较合适的。船舶为自主航行船舶，船舶电脑系统中显示的航行路径、气象导航和轨迹参数会实时地更新和存储，通过雷达、AIS和红外传感器监测周围环境。当遇到其他船舶或者障碍物，该船会根据COLREGs规则（国际海上避碰规则）进行避碰操作。与此同时，所有的

水面无人艇(USV)的关键技术

水面无人艇（USV）的关键技术 水面无人艇（Unmanned Surface Vessel,USV）近年来受到国内外越来越多的关注。国内外USV的最新进展和成果前文已经介绍过了，这里不再累述，本文重点介绍USV的控制方式、动力机构、自动避碰技术及路径优化和未来技术发展，并针对我国内河环境展望了USV在航道数据测量和海事巡航方面的应用前景。 一、USV技术发展 （一）USV控制方式 USV 船舶控制方式主要有3种，即远程遥控、自主航行、远程遥控/自主航行双模。 1.远程遥控 远程遥控是利用远程通信技术实现USV与岸上控制中心的信息交互，达到远程操控船舶的目的。在USV航行时，控制中心与其交互的信息包括航行状态信息、视觉信息、故障诊断信息和控制指令等。考虑到通信数据量大、实时性需求高的特点，比较适合的远程通信技术主要有WiFi，蜂窝网和卫星通信等，其中WiFi由于具备网络传输速率高、抗干扰能力强等特点，比较适合几百米范围内的通信，蜂窝网需

要在其覆盖范围内使用，而卫星通信不受距离限制，但成本较高。 2.自主航行 ASV与USV在概念上有所区别，主要表现在：①ASV 的航行、碰壁策略由自动控制系统提供，自动控制系统由远程控制中心或者由船舶自身控制，但船舶上允许有维护和服务人员；②USV可以是自主航行，也可以远程控制，但船舶上没有人。ASV要求船舶自身具有完整的动力控制系统、航迹/航向控制系统、自动避碰系统、故障诊断系统和应急处置系统。ASV一旦失控可能会造成十分严重的后果，因此在航行时ASV应与普通船舶一样遵守相同的交通规则，且一旦有故障发生，应采取应急措施。 3.远程遥控/自主航行双模 以目前理论水平和技术条件而言，完全替代人来操控船舶是很难实现的。采用远程遥控/自主航行双模这样一种比较常见和安全的控制方式是比较合适的。船舶为自主航行船舶，船舶电脑系统中显示的航行路径、气象导航和轨迹参数会实时地更新和存储，通过雷达、AIS和红外传感器监测周围环境。当遇到其他船舶或者障碍物，该船会根据COLREGs规则（国际海上避碰规则）进行避碰操作。与此同时，所有的

军用无人艇

埃尔比特系统公司生产的“银色马林鱼”水面无人艇 军用无人艇市场方兴未艾 过去人们常常将那些在海上行踪飘忽，却没有人驾驭的船称为“幽灵船”。不过，今后人们在海上遇到无人船只的机会可能会越来越多，它们的主人不是所谓的“幽灵”，而是一些国家的海军。 随着“全球鹰”等无人驾驶飞机和“魔爪”等遥控机器人在战争中发挥越来越重要的作用，各种无人系统如雨后春笋般蓬勃发展。如今，无人驾驶水面舰艇也开始崭露头角，逐渐应用于水雷侦察和战场环境评估，而且在港口护卫、传感器部署、情报、监视侦察、猎雷、反潜、后勤支援，甚至反舰作战等方面也表现出巨大的发展潜力。各国海军对于无人艇的一系列前沿应用表现出越来越浓厚的兴趣，军用无人艇研究项目持续推进，新船型逐渐增多，自主性不断提高，新型动力和推进装置也在开发。 美国新型无人艇即将下海 据美国媒体报道，美国达信系统公司最近宣布其“通用无人水面舰艇”（CUSV）成功完成由美国海军研究局主办的“小组互动式无人艇任务监管（SUMMIT）”演示工作。在为期10天的试验和演示中，这种无人艇在SUMMIT管理系统的控制下执行了为近海战斗舰清扫航道的反水雷任务。演示证明该无人艇的任务可用性超过90%，且具备与美国海军平台无缝整合的能力。 据介绍，“通用无人水面舰艇”采用开放式结构设计，使用商用级部件生产，可以快速更换适合不同任务的组件，用于执行情报、监视和侦察、拖曳作业、反水雷、反潜、反水面战、通信中继、发射和回收无人机等任务。 另外，一种外形奇特的无人驾驶帆船也将于今年秋天在美国圣迭戈湾附近现身。这艘“幽灵帆船”其实是美国海军最新型的三体无人快速侦察艇“X-2”号，用于完成海岸监视、禁毒、拦截、巡逻等任务。 “X-2”号无人艇长约15米，宽约12米，能以每小时28公里至55公里的航速在8级海浪中自主巡航。它的合成桅杆有6层楼高，借鉴了“美洲杯”帆船赛参赛船的“帆翼”设计。更巧妙的是，这个桅杆还是一根配置数据链和控制系统的天线。除了能依靠风帆航行，“X-2”号还配备了一台电动引擎作为后备动力，这让它可以在巡航中随意变换航线。 “X-2”号不需要艇员，其实是一种全自动无人驾驶水面概念艇，相当于一个水面机器人。通过无线电和全球定位卫星系统，控制人员可以在数百公里外的控制平台上输入指令，通过卫星传输指令，再通过桅杆形的天线传输到无人艇的控制系统。从输入指令开始到无人艇执行动作，只需要18秒，定位控制精度在3米以内。 为了解决“X-2”号无人艇的稳定、导航和避碰问题，美国海军曾拨款千万美元，在舰载直升机甲板运动预报系统的基础上，结合直升机和水下无人航行器的导航和稳定系统开发了专门的控制系统，它能通过处理雷达和甲板运动数据，指挥无人艇的推进装置和姿态控制系

国外海军无人水面艇发展及关键技术

国外海军无人水面艇发展及关键技术 文／宋磊 有人水面舰艇相比，无人水面艇具有机动灵活、隐蔽性好、活动区域广、使用． 成本低等特点。目前，无人水面艇服役数量很少，主要用于执行海上情报、监视与侦察，反水雷战，电子战等军事任务。未来，随着智能化程度的不断提高，无人水面艇将具备遂行反潜、反舰作战等能力。 一、无人水面艇自主程度不断提升 与其他无人装备相比，无人水面艇发展相对滞后，但自主程度在不断提升。自主程度是衡量无人系统先进性的核心指标。无人水面艇按自主程度可分为遥控型、半自主型和全自主型三类。由于全自主控制方式对智能化程度要求较高、实现极为困难，尚处于研究探索阶段。目前，各国无人水面艇多采用半自主型。国外已服役或在研的无人水面艇主要装备型谱见图1。从装备型谱看，全自主型无人水面艇艇是未来无人水面艇的发展目标。 二、多功能无人水面艇发展备受关注 目前，开展无人水面艇研制的国家和地区主要包括美国、以色列、欧洲、日本等，但仅有美国、以色列的部分型号装备了部队。各国正在竞相发展集反水雷战、反潜战、电子战等能力于一体的多功能无人水面艇。 1.美国B研制并装备多种型号，且制定了明确的发展规划 美国正式服役的无入水面艇主要有“遥控猎雷系统”(RMS)、“海狐”和“斯巴达侦察兵”。其中，RMS由洛克希德·马丁公司在21世纪初研发成功，可对水雷进行快速侦察、探测、分类、识别并准确定位，也可用于反潜搜索、水面监视和沿海情报收集；“海狐”由美国西风海事公司研发，目前在美海军中服役的主要有“海狐”MKl和“海狐”MK2两型，美海军主要利用该艇进行江河地区的作战评估，以及远征部队的安全保障等；2002年，美海军水下战中心正式启动“斯巴达侦察兵”研制计划，2004年法国也加入其中，该艇备受各军种重视，海军陆战队计划将其用于执行远征后勤和再补给任务，特种部队计划将其用于水文调查及其他侦察、欺骗任务，陆军计划将“海尔法”等导弹装备该艇执行精确打击任务，协助内陆湖泊地带作战。目前，“遥控猎雷系统”和“斯巴达侦察兵”已装备美海军近海战斗舰，参与作战部署。此外，美国于2010年启动“反潜战持续跟踪无人水面艇”(ACTUV)研制计划。该艇设计长19米，排水量157吨，最高航速38节（7 0.4千米／小时），可持续工作30天，一次加油最多可航行6200千米，采用三体船型，可携带无人潜航器。上述指标均处于国际最领先的水平，同时也代表着无人水面艇的未来发展方向。 美国无入水面艇的发展思路和顶层规划也十分明确和清晰。21世纪初，美海军在《21世纪海上力量——海军设想》中提出，在201 5年前将新型无人平台引入未来网络化作战体系中。200 7年7月，美海军首次发布《海军无人水面艇主计划》，设定了无人水面艇的7项使命任务——反水雷战、反潜战、海上安全、反舰战、支持特种部队作战、电子战和支持海上封锁行动，指明了未来无入水面艇的发展重点及技术攻关方向。此后，美军方开始统筹各军种无人系统发展，并统一发布《无人系统路线图》，对无人水面艇的作战需求、关键技术领域以及与其他无人系统之间的互联互通性进行了总体规划。其中，2013年12月发布的最新版《无人系统路线图》对无人水面艇“近期（未来5年）、中期（未来10年）、远期（未来2 5年）”的技术发展重点和能力需求做出了更细致的说明：无人水面艇近期的技术发展重点将围绕增强型动力系统、通信系统和传感器系统等方面，中远期则将重点开发高效自主系统、障碍规避算法以及安全架构等；无人水面艇近期的能力需求是提高在本地受控区域执行特定任务的自主性并提高联网能力，中期将扩展行动范围并增加任务类型，远期则可在全球自主执行任务。《无人系统路线图》提出无入水面艇面临的技术挑战主要包括海上持久能力、恶劣环境中的生存能力等。同时还指出，为将无人系统潜能最大化，未来各类无人系统必须实现无缝互操作能力。2．以色列发展的型号种类仅次于美国，部分型号B装备不兑 以色列已开发多种型号，包括拉法尔公司和航空防务系统公司联合开发的“保护者”、埃尔比特系统公司的“黄貂鱼”和“银色马林鱼”、航空防务系统公司的“海星”等无人水面艇。其共同特点是充分借鉴无人机技术，并采用模块化设计。其中“保护者”项目开展最早，发展最为成熟，该艇隐身性高，装备现代化传感器系统和多样化武器系统，首批1 2艘已于2006年服役。 3.欧亚多国积极推进研制，产品尚未交付部队 英国在研无人水面艇主要包括“卫兵”、“哨兵”、“黑鱼”等。其中“卫兵”最为典型，由奎奈蒂克公司研制，采用先进的隐身设计和喷水推进技术，航速可达50节。法国在研型号主要包括“检察员”MK1、“罗德尔”和“巴西尔”等，其中“检察员”

基于Arduino开发环境的无人艇控制系统设计

基于Arduino开发环境的无人艇控制系统设计 张本任，熊 勇，张 加，余嘉俊，刘鸿涛 (武汉理工大学 航运学院，湖北 武汉 430063) 摘要: 针对无人艇实体硬件开发较少、设计开发周期长且控制系统造价昂贵这一现状，设计一种无人艇控制系统。系统以Arduino为集成开发环境，整体涵盖电机驱动系统、环境感知系统、运动状态监测系统和通信系统。系统以At Mega 2560单片机为主控单元，集成电机驱动模块、超声波传感器模块、GPS模块、惯性导航模块以及GPRS模块，并完成集成电路设计与集成开发板的制作。通过对主控单元进行编程，结合自动路径规划算法和自动避障算法，无人艇可以完成自主运动控制和对周围环境的智能感知，且无人艇船载设备端与网络控制端之间可以进行实时交互，具有无线网络通信功能。最终实现一种低成本、高效率的无人艇控制系统设计方案，具有实际工程应用价值。 关键词：Arduino；无人艇；控制系统；无线网络；通用分组无线服务（GPRS） 中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号： 1672 – 7649(2019)03 – 0083 – 05 doi：10.3404/j.issn.1672 – 7649.2019.03.016 Design of control system of unmanned surface vehicle based on Arduino ide ZHANG Ben-ren, XIONG Yong, ZHANG Jia, YU Jia-jun, LIU Hong-tao (School of Navigation, University of Wuhan University of Technology of China, Wuhan 430063, China) Abstract: Focused on the issue that physical hardware development on unmanned surface vehicle is relatively insuffi-cient, as well as the design and development cycle are long and the control system is expensive, an unmanned surface vessel control system was designed. The system used Arduino as the integrated development environment, including motor drive system, context-aware system, movement monitoring system and communication system. The system used At Mega 2560 MCU as the main control unit, integrating the motor drive module, ultrasonic sensor module, GPS module, inertial naviga-tion module and GPRS module, and completed the integrated circuit design and PCB production; the unmanned boat could complete autonomous motion control and intelligent perception of the surrounding environment through the MCU program-ming, combined with automatic path planning algorithm and automatic obstacle avoidance algorithm, and had a wireless net-work communication capabilities to realize the real-time interaction between the inboard equipment and the network control termination. Ultimately it achieves a low-cost, high efficiency control system design of unmanned surface vehicles, with practical engineering value. Key words: Arduino；unmanned surface vehicle (USV)；control system；wireless network；general packet radio service (GPRS) 0 引　言 水面无人艇(USV)[1]相较于传统水上载运工具的优点主要是可实现远程无人控制，并且可以在不适宜人长期作业的工作环境中执行任务，在水深测量、环境监控、打捞搜救、环境保护等方面已得到广泛应用，且无论在军用或者民用、大型水域或者小型水域都具有广阔前景。 无人艇在技术设计方面囊括了船舶结构设计、运动控制算法设计、远程通信、信号处理和分析以及探测勘察等专业相关知识，其智能化程度和应用扩展性等决定了无人艇在实际工程中应用的可能性[2 – 3]，而无 第41 卷 第 3 期舰 船 科 学 技 术Vol. 41, No. 3 2019 年 3 月SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY Mar. , 2019 收稿日期: 2018 – 04 – 16；修回日期: 2018 – 06 – 26 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51579201) 作者简介: 张本任(1994 – )，男，硕士研究生，主要从事智能航海、自动化控制研究。

【专题】国外无人水面艇未来发展及关键技术

【专题】国外无人水面艇未来发展及关键技术 与有人水面艇相比，无人水面艇具有机动灵活、隐蔽性好、活动区域广、使用成本低等特点。目前，无人水面艇服役数量很少，主要用于执行海上监视侦察、反水雷战、电子战等军事任务。未来，随着智能化程度的不断提高，无人水面艇将具备遂行反潜、反舰作战等能力。 美国海军公布自主无人艇集群方案（Autonomous Swarm Boats）时长1分34秒无人水面艇自主程度不断提升 洛马公司Marlin无人潜航器 与其他无人装备相比，无人水面艇的发展相对滞后，但自主程度在不断提升。自主程度是衡量无人系统先进性的核心指标。无人水面艇按自主程度可分为遥控型、半自主型和全自主型3类。由于全自主控制方式对智能化程度要求较高，实现极为困难，尚处于研究探索阶段。目前，各国无人水面艇多采用半自主型。但是，从国外已服役或在研的无人水面艇主要型谱看，全自主型无人水面艇是未来无人水面艇的发展目标。多功能无人水面艇发展备受关注 目前，开展无人水面艇研制的国家和地区主要包括美国、以色列、欧洲、日本等，但仅有美国和以色列的部分无人水面艇型号装备了部队。各国正在竞相发展集反水雷战、反潜战、电子战等能力于一体的多功能无人水面艇。

海事无人系统分类图美国已研制并装备多种型号，且制定了明确的发展规划。美国正式服役的无人水面艇主要有“遥控猎雷系统”“海狐”和“斯巴达侦察兵”。 洛马公司AN/WLD-1“遥控猎雷系统”其中，“遥控猎雷系统”由洛克希德·马丁公司在21世纪初研发成功，可对水雷进行快速侦察、探测、分类、识别并准确定位，也可用于反潜搜索、水面监视和沿海情报收集。“海狐”由美国西风海事公司研发，目前在美国海军中服役的主要有“海狐”MK1和“海狐”M K2两型，美国海军主要利用该艇进行江河地区的作战评估，以及远征部队的安全保障等。2002年，美国海军水下战中心正式启动“斯巴达侦察兵”无人水面艇的研制工作，2004年法国也加入其中。该艇备受各军种重视，美国海军陆战队将其用于执行远征后勤和再补给任务，特种部队将其用于水文调查及其他侦察、欺骗任务，陆军将“海尔法”等导弹装备该艇执行精确打击任务，协助内陆湖泊地带的作战。目前，“遥控猎雷系统”和“斯巴达侦察兵”已装备美国海军近海战斗舰，参与作战部署。 美国海军测试“斯巴达侦察兵”无人水面艇此外，美国于2010年启动“反潜战持续跟踪无人水面艇”研制计划。该艇设计长19米，排水量157吨，最高航速38节，可持续工作30天，一次加油最多可航行6200千米，采用三体船型，可携带无人潜航器。上述指标均处于国际最高水平，同时也代表着无

美国海军发布无人水面艇主计划

美国海军发布无人水面艇主计划（上） 2007年7月23日，美国海军发布了《海军无人水面艇主计划》。该计划从满足美国海军战略计划、舰队发展以及国防部到2020年部队转型的需求等方面，详细介绍了美国海军未来无人水面艇（USV）的发展计划。全文共分5个部分，即无人水面艇发展设想，无人水面艇的作战使命，发展系列无人水面艇，无人水面艇的技术与工程问题，建议与结论。现将主要内容摘编如下： 一、USV的发展设想 USV的发展设想是：开发和装备成本节约型的USV，改善海军和联合作战能力，支持本土防御、全球反恐作战、非对称作战和常规战争。为提升USV稳定性和耐波能力，协助打击地区性、跨国界、以及全球范围内的敌人，USV将增大目前和未来的平台。USV将完全实现自动化，从而降低通信/数据交换的需求以及操控人员的负担。此外，USV可通过布放和回收仪器设备，收集、发送和处理各类信息，使美军及其盟军能够以最低的风险或代价攻击目标。 为了实现USV的发展设想，USV主计划确定了以下目标： （1）确定USV近期（5年）、中期（5年至10年）和未来（10年以上）的能力，具体包括：任务描述和优先性，每项任务的高层次作战概念（CONOPS），并通过对备选能力进行评估，确定这些能力是否适用于USV。 （2）建立USV的性能级别，使各级USV能够满足能力的需求：①推荐若干级别的水面艇，构建高效的、集团化的、互为补充的能力；②在海军项目中，界定USV类型和尺寸的具体范围；③审查各USV级别内部以及彼此之间的模块化和通用化水平。 （3）评估技术要求以及目前的技术准备情况，为USV平台和相关负载的研制提出相应的技术投资策略。 二、USV的作战使命 根据国防部和海军的指导性文件，这份主计划确定了USV优先发展的7个任务领域，按照优先级排列，包括：反水雷战(MCM)；反潜作战(ASW)；海上安全(MS)；水面作战(SUW)；支持特种部队作战（SOF）；电子战(EW)；支持海上拦截作战(MIO)。针对每一项任务领域，研究团队将开发一种USV 任务包，这个任务包包括平台尺寸/类型、负载和可能的应用描述等。 三、发展系列USV 在2006年举行的USV主计划专题学术讨论会中，一项重要的结论是，界定USV的类型和尺寸级别将有助于协调舰队和USV采办项目，特别是在舰队兼容性、促进民品开发、集中控制、标准化、通用化、模块化和人员系统集成等方面。对于USV来说，最为重要的技术条件是USV能够被海军现役舰艇搭载，或仅需进行较小的改装，因此，通用的海军船型和尺寸成为首先考虑的因素。USV主计划推荐了一个非标准级的USV和三个标准级的USV，这4种级别的USV能够完全满足美国海军USV优先发展的7个任务领域的能力需求，具体包括： “X－级”是一个长3米或更小的非标准级USV，采用非标准模块建造，能够支持特种部队作战、以及海上拦截作战任务。它将提供低层次的情报、侦察、监视能力，以及有限的续航力、有效载荷和适航性，支持有人操作。

无人水面艇终极版

无人水面艇 无人水面艇（unmanned surface vessel，简称USV），是一种无人操作的水面舰艇。主要用于执行危险以及不适于有人船只执行的任务。一旦配备先进的控制系统、传感器系统、通信系统和武器系统后，可以执行多种战争和非战争军事任务. 1发展历史 无人舰艇的历史可追溯到二战时期，彼时，它们只是被作为一次性的制导武器使用；冷战开始后，旨在搜寻和清扫水雷的无人航行器开始列装各国海军，这些早期遥控舰艇多由电缆发送的导航信号或母舰通过无线电控制，自主活动能力有限。 上世纪90年代以后，人工智能和自动化技术的进步，让水上水下的无人舰艇迎来了真正的活跃期，更复杂的水下机器人（AUVs）和水面机器人（ASVs）也从概念走向现实。目前，西方国家的无人舰艇大多担负侦察任务，具备攻击能力的改型也已开始列装。 2国际现状 美国海军从上世纪90年代开始研究无人水面艇。2007年，美国海军发布《海军无人水面艇主计划》，为无人水面艇赋予了7项任务，同时还界定了无人水面艇的船型、尺寸和标准等要素，这标志着美国无人水面艇走上正规发展阶段。 以色列“保护者”型无人水面艇已经开始批量生产，并装备部队。新加坡海军是它第一个海外用户，在一次演习中，他们利用登陆舰搭载2艘“保护者”无人水面艇，进行海上保卫和封锁行动，据新加坡国防部称，“保护者”无人水面艇是“非常高效的”。 目前，德国、日本也在积极研究无人水面艇。中国无人水面艇的发展尚处于起步阶段，民用方面已取得进展，“天象1号”无人水面艇曾在奥运会青岛奥帆赛期间，作为气象应急装备为奥帆赛提供气象保障服务。 3特点 (1)艇性特点：对于艇型来说，国际普遍采取硬壳充气艇，长为6m到11m之间。采用充气 艇的方式，船底采用内设刚性龙骨的v型结构，充气胎与骨架板件组合，可在正常工作压力下使整个艇具有足够刚性，气胎分隔成3到5个独立气室可保证艇的抗沉性。另外四周充气部分也可起到良好的抗冲击缓冲作用，艇体边界有充气浮力胎，可极大避免风浪中倾斜的危险。 (2)动力特点：无人艇大多采用柴油机做动力，在推进形式上有舷外机和喷水推进等方式， 其中由于采用喷水推进的舰舶具有传动机构简单，机动性和操纵性好，吃水浅效率高等特点被广泛应用。 (3)操纵特点：无人艇操纵方式为无人遥控/按既定方案运行/自主运行等方式，在完全自主 运行方式下，对无人艇的智能化程度要求较高，实现较为复杂。 (4)应用特点：无人艇大多采用模块化设计，根据任务的不同，可采用多种不同模块。无人 艇部署机动灵活，使用方便，可跟随战斗舰出航执行任务，并可在危险区域或不宜派遣人的舰船区域独自自主执行任务，拓展了海上作战范围，具有良好的费效比，避免了人员的生命危险。 4应用领域 (1)反水雷战 无人艇可以快速，高效，低成本地以集群方式完成大范围的水雷探测与定位任务。 猎扫雷舰是单位吨位最贵的舰船，保有量有限，单独依靠猎扫雷舰完成大面积区域

水面无人艇路径规划研究综述

水面无人艇路径规划研究综述* 大连海事大学航海学院陈华张新宇 摘要：水面无人艇（unmanned surface vessel, USV）近年来受到国内外专家学者越来越多的关注。为了总结分析USV现有路径规划方法及其优缺点，通过对USV路径规划研究进行分类综述和分析，从获取环境空间障碍物的方式，将USV路径规划分为基于海洋环境信息的全局路径规划和基于传感器信息的局部路径规划。总结基于各类研究方法的主要研究成果及其主要特点，剖析其存在的主要问题，阐明USV路径规划的研究思想和意义，提出USV路径规划今后可能的发展方向。 关键词：USV；路径规划；海上交通 一引言 随着现代科学技术的飞速发展，海上智能交通作为我国科技战略的重要组成部分，主要实现船舶的航行自动化和海上交通的智能化管理。因此，作为海上交通系统的主要个体船舶，对其航行路径的研究，显得尤为重要。而近年兴起的研究热点--水面无人艇，是一种无人操作的水面舰艇，主要用于执行危险以及不适于有人船只执行的任务[1]。由于其具有体积小、速度快、智能化和自动化程度高的特点而吸引广大研究人员。它不仅可以用于军事领域的扫雷、侦察和反潜作战等方面，还可以用于民用领域的水文气象探测、环境监测和海上搜救等方面。文献［2，3］总结了无人艇的研究历史、现状以及发展趋势。在水面无人艇研发和使用领域，美国和以色列一直处于领先地位。位于美国弗吉尼亚州的UOV公司集风能、太阳能和回收动力作为能源而研发了理论上拥有无限续航能力的UOV，适用于海洋数据监测和收集等[4]。以色列Elbit公司推出了Stingary号USV，它具有船型小、机动灵活、隐蔽性好和智能巡航等优点[5]。中国对无人艇的研究起步较晚，但庆幸的是，国内对无人艇的研究已经越来越重视。中国气象局与沈阳航天新光集团共同研制了我国首艘无人驾驶船“天象一号”，它由海上无人探测平台和地面控制系统组成，能满足高海况下工作需求[6]。 目前水面无人艇主要配备的系统包括运动控制系统、传感器系统、通信系统和武装系统。其中，文献[7]将运动控制系统分为导航定位子系统、路径规划子系统和航迹跟踪子系统。而路径规划作为无人艇研究的核心问题，在一定程度上代表着无人艇智能化水平的高低。近年来对无人艇路径规划的研究成为海上智能交通的热点问题。本文从获取环境空间障碍物的方式，将无人艇路径规划分为基于海洋环境信息的全局路径规划和基于传感器信息的局部路径规划，分别综述其研究方法和成果并深入分析其本质特点和存在的不足，并对无人艇路径规划的发展方向提出几点展望。 二基于海洋环境信息的全局路径规划 全局路径规划是基于给定的海洋环境信息（通常指电子海图）来获取无人艇所经过区域的静态障碍物信息的大范围离线路径规划。为了解决全局路径规划问题，文献[7]将改进势场法与动态栅格法相结合设计了一种势场动态栅格法，通过将栅格动态细化的方式建立环境模型，利用改进势场法来搜索最优路径，通过减少折线来减少多余的路径点，最终达到路径优化的目的。该方法收敛速度快，能避免传统势场法容易陷入局部极小值问题，但该方法也没有考虑风、浪、流等水文气象因素对路径规划的影响。文献[8]提出一种基于电子海图的距离寻优Dijkstra算法来解决水面无人艇全局路径规划问题。为了克服传统Dijkstra算法占用内存大的问题，该算法使用动态网格模型来减少规划时间，提高规划精度。但该方法在环境模型的建立时仅仅基于电子海图，没有考虑风、浪、流等水文气象因素对航线设计的影响。文献[9]利用遗传算法和人工势场法设计了水面无人艇全局路径规划并进行了仿真实验，实验表明该方法能对多种复杂的障碍物环境进行规划，并且具有能在起点周围三面障碍物中寻找最优路径的能力。但该方法只是针对简单的几何图形和海岸线进行规划，没有引入真正意义上的电子海图。为了寻找一条最小或者接近最小的全局最优路径，文献[10,11]采用时效性好的A星算法作为路径规划算法，该方法也能找到最优路径， *基金项目:国家自然科学基金项目（51309043）,交通运输部应用基础研究项目（2014329225020）,中国博士后科学基金项目（2014M551095）,辽宁省自然科学基金项目（2014025005）,辽宁省高校杰出青年学者成长计划（LJQ2014052）,中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（3132014202）,辽宁省教育厅重点实验室基础研究项目(LZ2015009)。

无人水面艇研究现状与发展趋势

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(如美国和欧洲等国)的高度重视。 截至2017年9月，当今世界在研和现役的无人水面艇共有约88种类型，其中在研的无人水面艇有25种。美国发展无人水面艇主要以军事应用为主，而欧洲各国发展无人水面艇主要以民用运输船为主。 2007年，美国海军海上系统司令部(NAVSEA)制定了《海军USV 总体规划》，表明美国将在未来相当长的时间内持续无人水面艇的开发研究。此后，美国军方开始统筹各军种无人系统的发展，并统一发布《无人系统路线图》，对无人水面艇的作战需求、关键技术领域以及与其他无人系统之间的互联互通性进行了总体规划。2013年美国发布的最新版《无人系统路线图》对无人水面艇的技术发展重点和能力需求做了说明：近期(未来5年间)无人水面艇的能力需求是提高在本地受控区域执行特定任务的自主性并提高联网能力；中期(未来

5～10年)将扩展行动范围并增加任务类型；远期(未来10～25年)则可在全球自主执行任务。 欧洲比较有代表性的有罗尔斯·罗伊斯股份公司，该公司在“2016无人驾驶船舶技术研讨会”上，推出了“高级无人驾驶船舶应用(AAWA)开发计划”，并发布了AAWA项目白皮书，阐述了该项目如何实现遥控与无人驾驶船舶的构想。 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。然而，由于海洋环境恶劣(如强海浪涌等)和无人水面艇运动模型的特殊性(如模型高度非线性、强时滞性和时变性等)，较于无人车和无人机等无人系统，无人水面艇的研究面临着一些特殊的附加挑战。 一、研究现状和主要成果 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。 本工作针对无人水面艇所面临的特殊挑战，从态势感知、航行规划和导航、控制几个方面来研究其现状和主要成果。态势感知、航行规划和导航、控制之间的关系框图如图1所示。航行规划和导航包含2个部分：全局航路规划和局部反应式导航。从单船角度出发，全局航路规划、局部反应式导航和控制所需执行频率依次提升。