無人水面艇研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1、無人水面艇（USV）是指依靠船載傳感器，以自主或半自主方式在水面航行的智能化平臺，可廣泛應用于海洋運輸、海洋環(huán)境調(diào)查、海洋資源探測、海洋考古、水上搜救、情報搜集、海事訓練測試、偵察取證、警戒巡邏、火力打擊、艦艇護航、反水雷和反潛等任務。無人水面艇是網(wǎng)絡化無人系統(tǒng)中的重要節(jié)點，將顛覆傳統(tǒng)海戰(zhàn)樣式，催生全新海洋裝備體系，對海洋資源開發(fā)和國家海洋權益維護具有重要的意義，受到世界各海上強國（如美國和歐洲等國）的高度重視。截至2017年9月，當今世界在研和現(xiàn)役的無人水面艇共有約88種類型，其中在研的無人水面艇有25種。美國發(fā)展無人水面艇主要以軍事應用為主，而歐洲各國發(fā)展無人水面艇主要以民用運輸船為主。2

2、007年，美國海軍海上系統(tǒng)司令部（NAVSEA）制定了海軍USV總體規(guī)劃，表明美國將在未來相當長的時間內(nèi)持續(xù)無人水面艇的開發(fā)研究。此后，美國軍方開始統(tǒng)籌各軍種無人系統(tǒng)的發(fā)展，并統(tǒng)一發(fā)布無人系統(tǒng)路線圖，對無人水面艇的作戰(zhàn)需求、關鍵技術領域以及與其他無人系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通性進行了總體規(guī)劃。2013年美國發(fā)布的最新版無人系統(tǒng)路線圖對無人水面艇的技術發(fā)展重點和能力需求做了說明：近期（未來5年間）無人水面艇的能力需求是提高在本地受控區(qū)域執(zhí)行特定任務的自主性并提高聯(lián)網(wǎng)能力；中期（未來510年）將擴展行動范圍并增加任務類型；遠期（未來1025年）則可在全球自主執(zhí)行任務。歐洲比較有代表性的有羅爾斯羅伊斯股份公

3、司，該公司在“2016無人駕駛船舶技術研討會”上，推出了“高級無人駕駛船舶應用（AAWA）開發(fā)計劃”，并發(fā)布了AAWA項目白皮書，闡述了該項目如何實現(xiàn)遙控與無人駕駛船舶的構想。近年來，各國在軍用和民用領域加大了科研力度，掀起一股無人水面艇的研究熱潮。然而，由于海洋環(huán)境惡劣（如強海浪涌等）和無人水面艇運動模型的特殊性（如模型高度非線性、強時滯性和時變性等），較于無人車和無人機等無人系統(tǒng)，無人水面艇的研究面臨著一些特殊的附加挑戰(zhàn)。一、研究現(xiàn)狀和主要成果無人水面艇相較于其他無人系統(tǒng)發(fā)展滯后。不過無人系統(tǒng)在很多層面上，尤其是在自動化學科領域有很多共通點，因此無人水面艇可在其他無人系統(tǒng)研究成果的基礎上，

4、根據(jù)所面臨的特殊挑戰(zhàn)（如海洋環(huán)境、船體模型等）進行開創(chuàng)性研究。在美國和以色列這2個當今世界上無人水面艇技術最先進的國家，無人水面艇的發(fā)展在很大程度上得益于其無人機、無人地面車輛和無人潛航器等無人系統(tǒng)上的優(yōu)勢。特別是美國無人水面艇在很大程度上借鑒了火星無人車Rover的算法及其軟件框架CARACaS。本工作針對無人水面艇所面臨的特殊挑戰(zhàn)，從態(tài)勢感知、航行規(guī)劃和導航、控制幾個方面來研究其現(xiàn)狀和主要成果。態(tài)勢感知、航行規(guī)劃和導航、控制之間的關系框圖如圖1所示。航行規(guī)劃和導航包含2個部分：全局航路規(guī)劃和局部反應式導航。從單船角度出發(fā)，全局航路規(guī)劃、局部反應式導航和控制所需執(zhí)行頻率依次提升。執(zhí)彳亍器控制

5、量執(zhí)行器平臺利環(huán)境任務需求態(tài)勢感知期望速度控制全局航路規(guī)劃任務約束期塑軌跡局部反應式尋航1無人水面艇的態(tài)勢感知無人水面艇的態(tài)勢感知可以描述為：依據(jù)使用需求配置各種類型的傳感器進行互補，實現(xiàn)水下-水上、近距和遠距目標探測，并針對每種傳感器的特性對目標進行檢測、跟蹤、識別等由粗至精的融合處理，從而提取目標的關鍵要素，并依據(jù)實際任務需求所需的目標屬性，構建出覆蓋“水上-水下”的多尺度、多維度立體綜合環(huán)境態(tài)勢圖，從而實現(xiàn)無人水面艇對周圍環(huán)境的自主、準確及有效的認知。無人水面艇所搭載的傳感器一般有激光雷達、相機（含可見光和紅外）、雷達、聲吶和自動識別系統(tǒng)（AIS）等，其所獲取的感知數(shù)據(jù)通過融合處理即可形

6、成態(tài)勢感知圖。目前，基于地面無人車和空中無人機平臺的態(tài)勢感知的一些研究成果已經(jīng)可以應用于無人水面艇中，但是無人水面艇本體和工作環(huán)境具有一定的特殊性，其在態(tài)勢感知方面除了受光照、霧天等影響外，還面臨特殊挑戰(zhàn)，如海面目標可觀性弱、船體晃動劇烈、海雜波強和水下目標探測困難等。2009年，葡萄牙波爾圖工程學會在ROAZII號海洋無人測量艇基礎上單獨加裝商用航海雷達Furuno、光電傳感器（紅外和可見光）及其對應的岸基控制命令系統(tǒng)，實現(xiàn)了對近距離和遠距離障礙探測；2010年，圣地亞哥空軍海軍戰(zhàn)爭系統(tǒng)中心利用Velodyne公司的64線激光測距雷達對海上各種物體進行探測，并對探測數(shù)據(jù)進行了分析；Lee等采

7、用徑向最近鄰方法實現(xiàn)了無人水面艇上激光點云數(shù)據(jù)的目標檢測；2017年，上海大學“精?！睙o人水面艇采用Velodyne公司的16線激光和2.5D柵格地圖的障礙檢測方法，將障礙表征為橢圓，實現(xiàn)了海面目標跟蹤；Heidarsson等通過在無人水面艇上安裝機械掃描淺地層剖面聲吶，實現(xiàn)了水下目標探測；Leedekerke等在無人水面艇上搭載聲吶測量設備，實現(xiàn)了水下環(huán)境建模。2010年，Wolf等在CARACaS框架下，基于360相機提出了一個面向巡邏任務的自主視覺分析和跟蹤方法，用于目標跟蹤和威脅判別；20112015年，南洋理工大學的Wang等利用可見光單目和雙目視覺，在高速無人水面艇上測試障礙檢測跟

8、蹤系統(tǒng)，并指出由于海面反射和波浪涌動影響，故在障礙檢測結(jié)果中會出現(xiàn)很多虛假障礙；2013年，Wang等為解決目標跟隨過程中白浪花引起的虛警和目標遮擋等問題，采用立體數(shù)據(jù)估計海平面和其他物體的高度，并利用高度屬性進行障礙物判定；2015年，Hermann等基于視覺和雷達，采用卡爾曼濾波技術估計船體姿態(tài)和位置信息，以應對無人水面艇在高速行駛過程中的船體抖動、雜波抑制和目標航跡維持問題。與國外相比，我國適于無人水面艇的傳感器設備和自主處理系統(tǒng)相對比較薄弱。為此，針對無人水面艇的任務需求和海洋環(huán)境，研制出穩(wěn)定高效的自主感知傳感器，形成相應的理論體系和技術架構，提升環(huán)境感知和認知能力是我國無人水面艇態(tài)勢

9、感知的重點研究方向。2無人水面艇的航行規(guī)劃和導航無人水面艇航行規(guī)劃和導航過程可以描述為依據(jù)態(tài)勢感知圖，綜合考慮任務需求、航行安全（擱淺和氣候等）、航行空時效率（時間、距離和偏差等）、航行規(guī)則（海事避碰規(guī)則）、船體操縱性（最小轉(zhuǎn)彎半徑等）和環(huán)境不確定性（障礙物狀態(tài)不確定等）等要素，在滿足無人水面艇航行安全性的前提下，發(fā)揮無人水面艇的效能。無人水面艇航行規(guī)劃和導航不僅同其他無人運載系統(tǒng)一樣面臨動態(tài)不確定環(huán)境感知問題，而且具有一些特殊挑戰(zhàn)，如海事避碰規(guī)則多且具有多模糊屬性，船體時滯性大、慣性強且不同船型相差大。無人水面艇航行規(guī)劃和導航分為：全局航路規(guī)劃和局部反應式導航。全局航路規(guī)劃從全局可用信息角度

10、來規(guī)劃滿足任務需求的安全高效航向；而局部反應式導航以滿足全局航路規(guī)劃為目的，根據(jù)當前狀態(tài)和局部環(huán)境信息進行局部調(diào)整，且同全局航路對接。全局路徑規(guī)劃通常能高效安全地解決路徑到達和路徑覆蓋這2個問題。首先，全局路徑規(guī)劃需定義路徑規(guī)劃的位姿空間；然后，根據(jù)搜索算法，如A*,D*和神經(jīng)網(wǎng)絡等，獲取滿足任務需求的安全優(yōu)化路徑。全局路徑規(guī)劃需針對無人水面艇的機動特性和相關航線評價標準，利用直線和弧線等幾何形狀生成至少2階可微的光滑路徑。路徑曲率的不連續(xù)將會導致無人水面艇船體等欠驅(qū)動系統(tǒng)的橫向加速度的不連續(xù)，從而最終導致無人水面艇艏向控制器的控制受到影響。Candeloro等基于Fermatspiral和V

11、oronoi圖方法規(guī)劃生成曲率連續(xù)且滿足避障要求的航線；Lekkas從航線光滑程度、航路精度、可跟蹤性和計算時間建立了航路評價標準，并以此標準采用單調(diào)3次Hermite樣條插值方法生成光滑航路。局部反應式導航分為跟隨/跟蹤導航和局部反應避障，二者相互融合形成最終的局部反應式導航律，其中局部反應避障優(yōu)先級高于跟隨/跟蹤導航。完成全局航路規(guī)劃任務需分二步走，第一步證明局部反應式導航的穩(wěn)定性和收斂性，第二步證明由導航律和控制器構成的級聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和收斂性。根據(jù)任務場景不同，跟隨/跟蹤導航可分為目標跟蹤、路徑跟隨、路徑跟蹤、路徑機動。跟隨/跟蹤導航經(jīng)常采用導彈中的視線（LOS）導航、PurePurs

12、uit和ConstantBearing制導思想。Lekkas等提出了時變前向距離LOS方法以提升LOS導航方法的穩(wěn)定性；Fossen等提出了積分LOS，以應對慢時變干擾條件下的導航?；谔摂M目標的跟隨/跟蹤導航可參考文獻。Kuang等指出，海洋無人運載平臺避障的主要挑戰(zhàn)為海事避碰規(guī)則的適應性和船體動力學的多樣性；Statheros等描述了在動態(tài)避障場景中船體建模、避障算法和導航系統(tǒng)所涉及數(shù)學方法的研究現(xiàn)狀。局部反應避障方法有速度障礙、虛擬力場和Voronoi圖等。Naeem等和Kuwata等分別將速度障礙同海事避碰規(guī)則結(jié)合用于無人水面艇的局部反應避障；Stenersen基于機器人操作系統(tǒng)(RO

13、S)搭建了一個滿足海事避碰規(guī)則約束的速度障礙避障的開源平臺；Perer等基于模糊方法實現(xiàn)了無人水面艇的局部避障，并進行了實驗測試和評估；Woerner將速度障礙擴展至柔性多閾值形式，以更好地表征和評估人類的駕駛經(jīng)驗；Shah基于網(wǎng)格化和模型預測方法提出了一種自適應危險和偶然事件感知的導航避障方法，以實現(xiàn)在動態(tài)擁堵條件下的航行、目標追蹤和圍堵等；Candeloro等基于Voronoi圖、Fermatspiral和自適應LOS方法，構建了一個由全局航路規(guī)劃、局部反應避障和路徑跟隨組成的無人海洋運載平臺的航行規(guī)劃和導航系統(tǒng)。目前，已有的關于無人水面艇的航行規(guī)劃和導航的研究較多，不過還需進一步提升其智

14、能性。為此，需利用當前人工智能理論基礎和方法，解決開放、動態(tài)和在不確定場景下的意圖判斷及其表征問題，以提高宏觀航路規(guī)劃和微觀的緊急狀態(tài)判斷和處理能力，從而實現(xiàn)有人水面艇和無人水面艇的共融駕駛。3.無人水面艇的控制無人水面艇的控制是以導航輸出作為期望輸入，同導航律構成穩(wěn)定級聯(lián)控制系統(tǒng)，解決航行過程中的動態(tài)定位、軌跡跟蹤、路徑跟蹤等控制問題，使無人水面艇能夠穩(wěn)定地做出各種航行所需動作。然而，無人水面艇的控制面臨模型高度非線性和不確定性、系統(tǒng)欠驅(qū)動、船體本身和執(zhí)行機構時滯性、執(zhí)行機構飽和特性、不可預測的強外部干擾和系統(tǒng)故障等挑戰(zhàn)。同其他控制系統(tǒng)一樣，無人水面艇的控制包含模型、模型辨識和控制器3部分。

15、船舶動力學研究可以分為2個基礎領域：操縱性研究和耐波性研究。操縱性研究是指沒有浪干擾條件下的平面運動性能的研究，操縱性模型通常用3或4自由度進行表征；耐波性研究是指存在浪干擾條件下的航速和航向保持能力的研究，耐波性模型需用6自由度進行表征。操縱性和耐波性的結(jié)合稱為波浪中的操縱性。Fossen廣泛系統(tǒng)地描述了水面艇的數(shù)學模型，即根據(jù)弗勞德數(shù)取值范圍的不同，水面船模型可以分為排水型船舶、半排水型船舶和滑行船舶，而目前最簡單的和流行的船體模型為1階Nomoto模型；Yu等對水面艇模型進行拓展，使其可應用于具有側(cè)滑的運動場景。系統(tǒng)辨識屬于一個很成熟的研究領域，Journee對1階和2階Nomoto模型

16、了進行辨識；Ferera等將隨機參數(shù)法同擴展卡爾曼法相結(jié)合，實現(xiàn)了非線性船模型辨識；Annamalai等采用加權最小二乘對無人水面艇進行了模型辨識。盡管精確和完整的無人水面艇模型對控制具有十分重要的意義，但數(shù)值模型的建立代價高且耗時，為此通常需對船體模型進行簡化。動態(tài)定位屬于無人水面艇一個典型控制問題°S0rensen對海洋動態(tài)定位系統(tǒng)進行了總括描述。通常情況下動態(tài)定位面向全驅(qū)動低速無人水面艇，而大部分無人水面艇屬于欠驅(qū)動系統(tǒng)，欠驅(qū)動系統(tǒng)的非完整約束性會導致全驅(qū)動系統(tǒng)的控制方法無法直接應用于欠驅(qū)動無人水面艇。Huang等采用反步法和李雅普若夫直接法解決了路徑跟隨場景下的欠驅(qū)動問題?；?/p>

17、于模型的抗干擾控制通常設計自適應控制律對干擾進行估計和抑制，而逼近控制通常采用積分策略對干擾進行抑制。Annamalai等基于模型預測控制方法解決了模型突變問題。另外，有些智能控制方法能同時解決無人水面艇模型的不確定性、非線性和外界干擾問題，如面向無人水面艇動態(tài)定位的自適應模糊控制器。實體控制系統(tǒng)執(zhí)行器存在各種約束，如響應速度、飽和性和耐用性等。在設計控制器時如果沒有考慮控制與實際執(zhí)行的差距，那就會大大降低控制器的性能甚至導致發(fā)散。雖然很多控制器考慮了幅度和速率約束，但沒有考慮驅(qū)動器和無人水面艇整體系統(tǒng)的動態(tài)特性，因此Liu等采用基于模糊邏輯自適應聯(lián)合卡爾曼方法的多傳感數(shù)據(jù)融合方法實現(xiàn)了故障檢

18、測診斷。由于無人水面艇模型所面臨運行環(huán)境的動態(tài)性和復雜性，實際應用過程中通常采用復合控制方法和結(jié)構來提升控制性能。應將其與態(tài)勢感知結(jié)合，感知外部環(huán)境干擾和內(nèi)部自身狀態(tài)變化，從而對外部干擾和內(nèi)部狀態(tài)進行估計和預測，形成控制態(tài)勢感知圖；再將人工智能方法學習人工駕駛策略與傳統(tǒng)控制方法結(jié)合，以滿足各種任務對航行的需求。Breivik等闡述了導航模塊對于控制模塊的重要性，并指出無人水面艇控制器應與其相結(jié)合。二、國內(nèi)外比較與發(fā)展趨勢1 國際無人水面艇研究趨勢無人水面艇的發(fā)展將會在已有無人系統(tǒng)成熟體系技術的基礎上，根據(jù)其所面臨的使用需求和挑戰(zhàn)，形成無人水面艇系統(tǒng)自身獨有的技術體系和產(chǎn)品體系，如美國的無人水面

19、艇技術借用了火星無人車Rover的相關軟件體系架構和基礎技術，以色列無人水面艇技術也借用了美國在無人車和無人機上很多先進的無人技術。未來無人水面艇將朝著體系化、標準化、智能化和群體協(xié)同化方向發(fā)展。這里，體系化表示無人水面艇作為無人系統(tǒng)的一部分，已形成系列化產(chǎn)品；標準化體現(xiàn)為設計標準模塊化接口，根據(jù)任務需求對任務載荷實現(xiàn)快速換裝，達到一船多用的目的；智能化體現(xiàn)為利用多傳感器融合處理技術、環(huán)境認知技術、人工智能技術和控制技術實現(xiàn)無人水面艇的智能性；群體協(xié)同化體現(xiàn)為無人水面艇之間的協(xié)同、無人水面艇和人之間的協(xié)同、無人水面艇和其他無人和有人系統(tǒng)的協(xié)同。國外正逐步形成需求分析、科學研究、仿真驗證、工程研

20、制、實體驗證和裝備生成的完備體系，以加速提升技術和推廣應用。2 國內(nèi)研究特色與差距在國內(nèi)，幾年無人水面艇的研究已取得了快速的發(fā)展。上海大學研制的“精?！毕盗袩o人水面艇配備北斗導航系統(tǒng)，可實現(xiàn)自主定位、航跡自主跟蹤、航跡線遠程動態(tài)設定、障礙物自主避碰等，并搭載了海洋測量設備進行海底地形地貌勘測和海底管道探測；搭載水質(zhì)監(jiān)測設備實現(xiàn)海洋常規(guī)“體檢”；珠海云州智能有限公司研發(fā)了云洲LE2000型海洋測量無人水面艇，可協(xié)同海事搜救；重慶萬里高科技有限公司研發(fā)的DF-C400警用無人水面艇，可實現(xiàn)對特定水域的輔助巡邏。除此之外，國家海洋局第一海洋研究所、哈爾濱工程大學和上海交通大學等科研院所，以及海蘭信、

21、武漢勞雷綠灣、中國船舶重工股份有限公司等許多企業(yè)也都對無人水面艇技術開展了研究。目前，我國無人水面艇正針對民用和軍用領域需求開展廣泛研究。雖然我國無人水面艇已具備一定的自主環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、自主避障和自主控制能力，并能根據(jù)需求完成相應的測繪、勘測、環(huán)境監(jiān)視和巡邏等任務，但是技術水平相對較低，同美國、以色列、挪威和英國等國家相比還是存在較大差距。我國大部分無人水面艇目前主要處于遙控和自主性較弱階段，除了船型、動力、通信技術、傳感器技術外，在態(tài)勢感知、航行規(guī)劃和導航及其控制方面都有較大差距。其中原因很多，除了已有的技術落后外，主要是無人水面艇整體研究缺乏統(tǒng)一系統(tǒng)的長遠規(guī)劃，產(chǎn)學研用沒有形成一個良性循環(huán)有機整體。三、需求與展望無人水面艇將會成為無人系統(tǒng)中連接空中、地面、水上和水下各節(jié)點的重要中繼節(jié)點。隨著對海洋的越來越多的重視，各國及其相應的海洋機器人公司將會根據(jù)實際使