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技术前沿
 
无人水面艇技术发展回顾与趋势分析(三)
发布时间:2021/10/28 10:38:57     点击: ( 28 )

5 无人艇关键技术的发展趋势

无人艇技术研发和应用历史已逾80年,伴随着计算机技术、通讯技术、自动控制、信息技术、动力与能源技术、材料技术、人工智能等高新技术的日益发展,无人艇应用领域将不断拓展,呈现出综合化发展的良好态势。无人艇的发展目标已经由完成某些特定任务,向拥有智能决策、群体协同能力迈进。

综合国内外无人艇技术研究现状及未来需求,无人艇关键技术发展将呈现四个主要趋势。

5.1载体设计技术

1)总体采用模块化设计和开放式体系结构,降低研发成本,兼具执行多种任务的能力。

模块化设计和开放式体系是分别设计系统的不同组件,将系统细分为较小的部分的方法,这些部分可以独立搭建,然后在不同的系统中用于执行多个功能。目前,各国开发的无人艇几乎都采用了模块化设计和开放式体系架构。可根据不同的作战任务进行不同的功能组合。整个设计是高度模块化的,可以根据所需任务、有效负载或环境条件来替换或修改每个模块。例如美军研发的斯巴达侦察兵号无人艇,技术成熟的模块囊括了监视和侦察、反舰作战、排除水雷、反潜、目标打击等模块,可在一个小时内利用即插即用型任务模块完成一艘基本版斯巴达侦察兵无人艇装配。模块化设计和开放式体系结构提高了无人艇研发进度和功能的多样性,同时有效降低了科研成本。

2)任务驱动的高性能、新概念艇型设计层出不穷,无人艇的载体性能得到显著提升,并演变出更多新功能。

当前无人艇的载体构型,仍以滑行、排水、多体、水翼、半潜等五类艇型为主。但是随着军民领域对高性能的不断追求,对新需求、工作域的逐渐扩展,导致常规无人艇型,已较难满足或适应高性能、新任务对载体的苛刻需求。比如,研究可变结构、多航态的载体,提升隐蔽性或高海况生存能力;研制具备海陆两栖航行能力的复合型载体,以应对岛礁、濒海任务需要;探索具备水下、水面、空中跨域适应性的新型航行器,以适应隐蔽潜行、快速突防的需要;研究具备高海况甚至全海况安全航行、超长航时续航能力的大型/多体载体,以执行反潜、有人/无人协同作战等使命。总之,推动无人艇工作空间从单域向多域、跨域发展,工作时间从局部短期向广域长航时发展,环境耐受性从低海况向高海况发展,将是一个发展趋势。

3)研发续航持久高效的动力系统,提高无人艇的活动半径和续航能力。

在实际应用中,无人艇主要执行环境监测、情报搜集、海域监视以及反水雷等任务,要求无人艇具有出色的续航能力。目前,已经有国家着力研究长航时的无人艇。例如,美国开发的SD 1021号和海上猎手号无人艇,英国研发的C-Enduro号无人艇等利用多种动力提高续航能力。

根据目前技术,主要从能源技术方面提高无人艇续航能力,例如用高性能电池、高能比燃料和新型能源等增大动力系统提供的能量。此外,基于太阳能、风能和波浪能等海洋能捕获技术,开发海洋能驱动的新型无人艇,并成功获得了工程应用,在这方面民用领域的研究最为活跃。

5.2先进材料技术

先进材料技术将有可能为无人艇提供更轻、更坚固、更隐身的基础平台。先进材料是指能够提供物理或功能方面高性能、新属性的材料。先进材料技术在无人艇上的应用体现在以下几个方面:

1)电磁隐身。导电纳米棒分散于液晶超结构中的可调超材料结构体能够吸收和反射电磁能量,可以帮助无人艇获得期望的隐身效果。

2)艇型优化。一种名为纳米工程电活化表面的材料有可能实现船壳的变形,在作战时艇体的形变将改变艇体的空气动力、水动力和声传播(吸收)效率等。

3)电子设备小型化。分子电子材料技术的应用不仅可以提高设备的可靠性和降低成本,而且可以减轻重量并减少耗电量。设备小型化带来最大的好处就是可以增加更多的负载,无人艇的多功能性更强、综合性能更佳[15,16,17,18]

5.3自主控制技术

鉴于无人平台特性,自主控制技术一直是非常重要的研究方向。目前较为成功的自动控制系统有以色列银色马林鱼号、黄貂鱼号无人艇搭载的自动舵手系统,这是一套具有高度自适应性和决策能力的智能决策专家系统,能够根据所处任务环境和执行任务的种类自主完成无人艇的控制。

1)高新技术驱动自主等级不断提升,环境适应性更强、支持任务更复杂。

随着博弈论、智能决策、控制论、机器学习、群智优化等先进技术及新方法的不断涌现,并与无人艇进行有效融合,将逐渐突破高级任务决策、快速路径规划、自主多动态危险规避、敏捷运动控制等核心算法,推动无人艇的自主等级不断提升。

目前美国开发了一套成熟的海上自主导航系统,主要融合了人工智能、三维数字成像和传感器融合技术,显著提高了无人艇单独执行任务或与其它平台协同作业时的自主能力。可以预见人工智能技术、先进计算机技术和新型信息处理技术的融合应用,将会是未来无人艇自主控制技术发展的一个趋势。

2)面向实战注重多平台、跨平台组网,提高协同化作战能力。

考虑到未来战争将是海陆空天多维一体作战的模式,无人艇与其它有人或无人平台协同作战是未来发展的一个重要趋势。从技术角度讲,如果采用相同的标准和开放式体系架构设计,无人艇就可以同其它有人/无人平台共享信息、载荷,从而与作战网络中的其他平台无缝连接,使得这些平台能够在网络的支持下集成一个整体,实施多维、一体化作战。目前,美、以、俄、英和中国均在积极开展相关研究与实践。

5.4环境感知技术

无人艇的环境感知技术主要包括光视觉、雷达、红外以及水声等感知手段。环境感知技术是实现无人艇自主航行、自主作业的基础,也是无人艇具备智能特征的关键。

1)多传感器信息融合处理,提供实时精确的环境感知信息。

环境感知领域的信息和判断可以作为无人艇控制和规划的依据,环境感知信息来源也不再局限于单个传感器的输入,将相机和雷达、水声及红外等其他传感器信息融合的技术也为无人艇环境感知技术开辟了新的道路,但当前仍存在许多研究难题,包括克服各个传感器的缺点,提供实时、准确的环境感知信息等,毫无疑问多传感器信息融合是未来无人艇环境感知的关键技术。未来无人艇的环境感知、决策控制和作业技术将更加深入融合。

2)水面图像的增强复原研究,在复杂恶劣天气条件下获取失真度低的环境信息。

无人艇需要在雨、雾、雪、浪等恶劣天气下开展工作,这些工作环境使得水面图像模糊不清,图像的质量退化,一些关键信息存在丢失或损坏。需要建立一种满足恶劣天气环境的水面图像增强复原机制,根据外界环境自适应对图像进行复原,保留图像的关键信息,并满足水面图像目标信息获取的实时性要求。

3)传统感知算法和深度学习感知算法的融合研究。

传统的感知算法具有理论性强、应用广和可靠性高的特点,深度学习的感知算法具有鲁棒性强、准确度高等特点。可以融合传统算法和深度学习算法,即克服传统算法鲁棒性低、准确度低和深度学习算法需要大量数据、人工标注等缺点,构建拥有两种算法优势的感知框架,提高无人艇的环境感知性能。

6 结束语

无人艇的最大特点是具有独立自主运行的能力,因此研究如何提高无人艇的智能水平非常重要。近年来,一些研究为提高无人艇的智能水平做出了积极贡献,包括任务决策、智能控制、非结构环境感知等,但仍有许多问题需要解决。其次,多学科交叉融合将极大促进无人艇技术的发展。有人/无人平台(无人机、无人艇、无人车及无人潜航器等)协同执行任务将是大势所趋,因此必须高度重视多平台协同技术研究和验证。

随着无人艇技术日趋完善、运维成本不断降低,可望在科考、测绘、运输、勘探、救援等任务场景获得大量应用。军用无人艇作为未来海战场的重要节点,大型化、智能化、功能及隐身化将是一个发展趋势,各种高性能、新型无人艇也将不断涌现。


摘自《无人系统技术》2019年第6

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