水面无人艇(USV)的关键技术
国内外无人水面艇USV发展现状调研及启示-战略研究
美国
二、 无人水面艇国内外发展概况
无人水面艇是一种具有自主规划、自主航行能力，并能自主 完成环境感知、目标探测等任务的小型水面平台，可承担情报收 集、监视侦察、扫雷、反潜、精确打击、搜捕、水文地理勘察、 反恐、中继通信等任务。
目前，许多国家的海军正积极地开始部署无人驾驶水面航行 器，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，见 图 2。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。国内对无人艇的研究虽然起步较晚， 但是发展较快，逐渐从概念设计阶段过渡到实际应用阶段，不过 与国外相比还是有较大的差距。
主要生产无人水面艇的国家
35
30
25
20
15
10
无人水面艇数量
5
0
图 2 主要生产无人水面艇（USV）的国家分布
2.1 国外概况 鉴于各种作战需要，尤其是反恐作战的需要，各国海军加大
了对于无人水面艇的研发力度，并且随着无人水面艇中的制导技 术和控制技术取得了进步，迎来了高速发展阶段，目前国外研制 无人水面艇的主要机构包括美国的诺斯罗普·格鲁曼公司、雷声 公司、洛克希德·马丁公司、达信防务系统公司、Meggitt 防务系 统公司、Liquid Robotics 公司、SeaRobotics Corporation、美国海 军研究所和以色列的拉斐尔公司、埃尔比特系统公司、航空航天 工业公司、航空防御系统公司、航空防务系统公司，以及英国的 奎奈蒂克公司等等。
遥控猎雷作战样机
美国
6
2003 年
“斯巴达侦察兵”无人艇
美国
7
2005 年
“黄貂鱼”无人水面艇
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。
无人船艇关键技术及未来发展趋势
2、控制技术
无人船艇的控制技术是其行动自如的关键技术之一。目前，无人船艇主要采 用基于模型的控制、基于人工智能的控制等技术进行控制。未来，随着人工智能 等技术的不断进步，无人船艇的控制技术将更加智能化和自适应。
3、能源技术
无人船艇的能源技术是其持续航行的关键技术之一。目前，无人船艇主要采 用电池、燃料电池、太阳能等作为能源。未来，随着新能源技术的不断涌现，无 人船艇的能源技术将更加环保和高效。
2、市场潜力
未来，随着无人船艇技术的不断进步和应用领域的拓展，无人船艇市场将具 有巨大的潜力。例如，在海洋监测领域，无人船艇可以执行各种复杂任务，如测 量海洋温度、检测海洋污染等；在环境监测领域，无人船艇可以监测大气、水质 等环境因素；在生态保护领域，无人船艇可以协助保护海洋生态、湿地生态等。 因此，未来无人船艇市场将具有巨大的潜力。
无人船艇在生态保护方面具有广泛的应用前景。例如，无人船艇可以用于监 测海洋生态系统、协助保护湿地生态等；可以用于跟踪珍稀物种、协助开展生态 科研等。未来，随着生态保护意识的不断提高和应用场景的拓展，无人船艇在生 态保护方面的应用将更加广泛。
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3、政策支持
近年来，国内外政府对无人船艇的发展越来越重视，并出台了一系列政策予 以支持。例如，美国海军已经将无人船艇列为重点发展领域之一；国内也出台了 一系列政策鼓励无人船艇技术的发展和应用。因此，未来无人船艇的发展将得到 政府政策的支持。
四、无人船艇的关键技术
1、航技术
无人船艇的导航技术是其自主驾驶的关键技术之一。目前，无人船艇主要采 用GPS、惯性导航、水下声波导航等技术进行定位和导航。未来，随着技术的不 断进步，无人船艇的导航技术将更加精准和可靠。
三、无人船艇关键技术案例分析
水下无人航行器原理张志强编写
水下无人航行器原理张志强编写【原创版】目录一、水下无人航行器的概述二、水下无人航行器的工作原理三、水下无人航行器的关键技术四、水下无人航行器的应用领域五、我国在水下无人航行器领域的发展正文一、水下无人航行器的概述水下无人航行器，又称为水下无人潜水器（Unmanned Underwater Vehicle，简称 UUV），是一种在无人驾驶状态下，能够在水下执行任务的航行器。
相较于传统的有人驾驶潜水器，水下无人航行器具有操作简便、安全性高、隐蔽性强等优势，被广泛应用于军事、海洋科学研究、海底资源勘探等领域。
二、水下无人航行器的工作原理水下无人航行器的工作原理主要包括以下几个方面：1.动力系统：水下无人航行器通常采用电动推进器，通过电池提供能量，驱动电机转动，从而产生推力，实现航行。
2.导航与控制：水下无人航行器需要具备精确的导航与控制能力。
一般采用惯性导航、声纳导航、视觉导航等多种导航技术相结合，实现对航行器的精确定位与控制。
3.通信系统：水下无人航行器需要与地面控制中心进行实时数据传输与指令接收。
通常采用声纳通信、无线电通信等方式进行通信。
4.传感器系统：水下无人航行器配备了各种传感器，如压力传感器、温度传感器、湿度传感器等，用于监测航行器的工作状态，以及实现对水下环境的感知。
三、水下无人航行器的关键技术水下无人航行器的关键技术主要包括以下几个方面：1.隐蔽性技术：为了降低被发现的概率，水下无人航行器需要采用先进的隐蔽性技术，如低噪声设计、反侦察手段等。
2.自主导航技术：水下无人航行器需要具备自主导航能力，以实现在水下复杂环境中的自主航行。
3.智能感知技术：水下无人航行器需要对水下环境进行实时感知，以确保航行安全。
这需要发展高效的水下感知技术，如声纳技术、图像处理技术等。
4.能源系统技术：水下无人航行器的续航能力受限于能源系统的性能。
因此，研究高效的能源系统，以提高航行器的续航能力，是水下无人航行器领域的重要课题。
无人艇在水面靶标应用与关键技术研究
Key Words
USV，target ship，target characteristics，environmental perception，autonomous decision making
者机动靶使用，在机动靶情况下为人工遥控航行。
进行观测，无论是采取雷测或光测手段，均可选取
2
无人水面艇在水面靶标潜在应用
最佳的观测阵位而避免被武器直接击中，以做到较
高的效费比。
3）舷外电子干扰平台。水面靶标为平台进行
由于海上使用环境的一致性以及工作时无人
值守的共同特点，无人艇技术特点应用于水面靶标
抗干扰试验，是靶场复杂电磁环境构建的一部分，
设计，在艇型设计和舱室布置方面，不必考虑人的
承受能力与舒适度，其技术特点和发展潜力与水面
2021 年第 6 期
舰 船 电 子 工 程
7
靶标的海上试验需求高度吻合。不过，无人艇如果
限，海面引起的多径衰落对通信质量影响很大。目
要在水面靶标领域投入实际使用，还需要解决涉及
前无线数据传输采用的对抗多径方法主要有扩频
通和互操作水平，要求优化无人艇无线自组织网络
与跟踪，须进行雷达散射隐身设计 。无人艇雷达
协议，开展组网控制、网络管理和通信安全防护等
［7］
隐形设计的基本流程如下。
1）确定无人艇雷达隐身设计目标，给出导引头
装备研制，在此方面基于 MIMO 模式的 MESH 通信
基于物联网的水面无人艇技术体系和系统功能架构的研究
基于物联网的水面无人艇技术体系和系统功能架构的研究一、水面无人艇技术体系1.传感器技术水面无人艇通过搭载各类传感器，对海洋环境、水质等参数进行实时监测和采集。
传感器技术是水面无人艇的核心技术之一，也是实现无人艇智能化的重要手段。
常见的传感器包括水温传感器、水质传感器、气象传感器等，这些传感器通过物联网技术可以实现数据的实时传输和远程监测。
2.通信技术通信技术是水面无人艇实现远程遥控和数据传输的关键技术。
目前，水面无人艇主要采用卫星通信、无线通信和互联网等多种通信手段，能够实现远程控制和监测，以及数据的实时传输和存储。
3.导航技术导航技术是水面无人艇实现自主航行和路径规划的重要技术。
水面无人艇通常搭载GPS、惯性导航系统等导航设备，能够实现精确的定位和航行控制，确保无人艇在水面上的安全和稳定运行。
4.控制技术控制技术是水面无人艇实现自主操作和远程遥控的关键技术。
通过采用先进的控制算法和自适应控制技术，可以实现水面无人艇在海洋环境中的自主避障、自主导航等功能，提高水面无人艇的智能化程度和应用灵活性。
二、系统功能架构1.数据采集与传输系统数据采集与传输系统是水面无人艇的重要功能模块，主要包括传感器采集系统和数据传输系统。
传感器采集系统负责对海洋环境参数进行实时监测和采集，数据传输系统负责将采集到的数据通过物联网技术进行传输和存储。
2.远程遥控与监测系统远程遥控与监测系统是水面无人艇的核心功能模块，主要包括远程遥控装置、遥控信号传输装置、状态监测装置等。
通过远程遥控与监测系统，可以实现对水面无人艇的远程操作和监测，包括路径规划、速度调节、状态监测等功能。
3.自主航行与碰撞规避系统自主航行与碰撞规避系统是水面无人艇实现自主操作和避障功能的重要模块，主要包括导航装置、避障控制算法、碰撞传感器等。
通过自主航行与碰撞规避系统，可以实现水面无人艇在复杂海洋环境中的智能化航行和避障，提高水面无人艇的安全性和稳定性。
海军的无人系统与自主作战
海军的无人系统与自主作战随着科技的不断发展，无人系统在各个领域都得到了广泛应用。
而海军作为国家海洋安全的重要组成部分，也逐渐引入了无人系统，并且不断提升其自主作战的能力。
本文将探讨海军的无人系统与自主作战的相关内容。
一、无人系统在海军中的应用现代海军中的无人系统主要包括无人航空器（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）、无人水面舰艇（Unmanned Surface Vessel, USV）以及无人潜艇（Unmanned Underwater Vehicle, UUV）等。
这些无人系统能够在没有人员直接操控的情况下执行各种任务，如情报收集、海上巡逻、目标打击等。
1. 无人航空器无人航空器是海军应用最为广泛的一类无人系统。
它们通常配备有先进的监视设备和传感器，可以收集大量的情报信息并实时传输。
同时，无人航空器还可以执行侦察任务，监视敌方舰艇、航空器和陆地目标的动态情况，为海军指挥决策提供重要依据。
2. 无人水面舰艇无人水面舰艇具有较高的航行稳定性和适应性，可以在恶劣的海况下执行任务。
它们可以与有人舰艇配合，实现固定区域的巡逻和防御，也可以单独执行特定任务，如海上测绘、水下搜索等。
此外，无人水面舰艇还可以配备武器系统，实施目标打击。
3. 无人潜艇无人潜艇主要用于水下侦察、目标搜索和水雷敷设等任务。
它们可以潜入深海执行任务，而无需曝露人员于危险环境中。
无人潜艇通常携带有高精度的声呐和摄像设备，能够探测到潜在目标的位置和动态信息，并将结果传输给指挥中心。
二、自主作战的核心技术实现无人系统的自主作战需要借助一系列核心技术的支持。
以下列举了几个关键技术：1. 人工智能与机器学习人工智能和机器学习技术的应用使得无人系统具有了智能化的能力。
通过大量的数据分析和学习，无人系统可以自主判断和决策，适应复杂多变的海上环境。
同时，人工智能还可以提高系统的自主感知和自主规划能力，增强其在自主作战中的效果。
水面无人艇(USV)远距离通信技术探讨
水面无人艇 (USV) 远距离通信技术探讨摘要：介绍了无人水面艇（USV）的概念。
论述了当今水面无人艇的现状。
探讨了无人水面艇水面无线通信的特点和通信方式。
着重论述了无人水面艇信息网络及控制系统中使用串口通信的几个重要部分。
关键词：无人水面艇；无线通信；通信方式0引言无人水面艇(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。
1水面无人艇现状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。
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。
水面平台布放回收USV和UUV技术
水面平台布放回收USV和UUV技术本文由蓝海星智库（ID:SICC_LHX）授权转载，作者：朱鹏飞海上无人系统的布放与回收技术是指水面舰船、潜艇对各类无人系统实施布放，确保无人系统顺利执行任务，并在完成任务返航后及时可靠回收的技术。
能否安全、自动、便捷地布放和回收已成为影响各类海上无人系统发展的要素之一。
目前，海上无人系统的布放和回收平台主要有水面舰艇和潜艇，回收的无人系统包括无人水面艇（USV）、无人潜航器（UUV）和无人机。
本文主要研究水面平台布放回收USV和UUV技术的最新进展。
一、无人水面艇的布放和回收无人水面艇一般通过大型舰船平台进行布放和回收，主要采用吊放和斜槽两种方式。
从当前的技术发展看，还没有出现创新的布放和回收方式，国外近年来主要是在技术上进行持续改进，使无人水面艇的布放和回收更为快速、高效，适应性更广。
1、吊放方式吊放方式是目前无人水面艇发射和回收应用的最多的形式，多是在船侧面安装起重机械，用线缆系留的方式提起或降下无人艇。
这种方式虽然简单易行，但也存在一定的缺点，比如对海况要求高、船舶平台必须为静止或低速状态、需要多人协助等。
目前使用的吊放方式，线缆直接系在小艇的固定点上小艇布放和回收联合工业计划（LAURA JIP：LAUnchandRecovery of Any small craft Joint Industry Project）为多个国家的多家单位联合开展的一个项目，旨在探索海况适应性强，适宜多种无人系统使用，能够满足未来需求的布放回收系统。
该计划对20种不同发射回收方式的优缺点进行了评价，并选择优秀方案进行进一步开发。
其中，“摇篮”（CRADLE）布放回收概念得到重点关注。
“摇篮”布放回收概念“摇篮”对当前吊放装置进行了改进，在进行布放和回收时不再直接将线缆系在小艇上，而是固定在托体（即“摇篮”）上。
布放时，先将小艇置放在托体，然后由吊放装置将托体连同小艇一起降落到水中。
溪流笔谈▏水面无人船艇的分类、应用及其发展
溪流笔谈▏水面无人船艇的分类、应用及其发展水面无人船艇（USV）是一种水面机器人，按照任务需求搭载各种不同的功能模块，自主或者半自主完成一系列任务的具有一定智能性，可高速航行于水面的小型水面船艇。
USV是一个复杂的系统，涉及到船舶设计、通信传输、环境感知、数据融合、运动控制、人机交互、人工智能等多个专业领域，研究内容包括导航与定位、控制与决策、感知与融合、能源与动力、船体与载荷、通信与数据等众多方面，以达到船舶的自主航行、智能避障、目标识别、多模通信等功能。
无人船艇通过搭载不同的载荷可以执行危险、艰苦、不适合有人船只工作的任务，也可以执行对航行精度要求较高的测量测绘任务，多无人船艇集群协同工作。
随着卫星定位与通讯技术、自主导航技术以及智能规划和控制技术的进步，未来可以更快速、机动、高效协同地完成更多作业任务。
法国多用途水面无人艇（Inspector125）水面无人船艇的发展历程全球无人船艇总体发展的脉络是起源于军用，而逐渐再转为民用，基本遵循了由小型、中型到大型无人船艇、直至无人舰艇的发展思路。
无人驾驶船最早见于20世纪五六十年代出现的靶艇或扫雷艇，但仅限于在有人平台的遥控范围内进行水面作业。
美国海军从上世纪90年代开始研究无人水面艇，以色列“保护者”型无人水面艇较早开始批量生产，并装备部队，新加坡海军是它第一个海外用户。
研发水面无人船艇的国家主要包括美国、中国、俄罗斯、以色列、日本以及欧洲主要国家，趋向于发展反舰、反潜、反水雷和电子战等能力于一体的多功能水面无人艇。
近年来，随着卫星定位与通讯技术、自主导航技术以及智能规划和控制技术的进步，装备智能化程度的提升，水面无人艇将逐步具备独立或协同遂行反潜、反舰等作战任务的能力，在海上作战中发挥重要作用。
美国海军2007年发布《海军无人水面艇主计划》，提出了重点发展3-11米级的X级、“港口”级、“通气管”级和“舰队”级四类艇型的发展规划，已批量化列装应用；在中型无人船艇发展上，探索发展了16米级“水虎鱼”无人船艇和40米级“海上猎人”号探潜无人船艇；在大型无人船艇或无人舰发展上，美海军2,000吨级的“守护者”号和“流浪者”号无人水面舰分别于2020年6月和2021年7月下水试航，拟于2022年交付美海军。
无人系统与人工智能未来战争的水面打击
无人系统与人工智能未来战争的水面打击未来战争的水面打击：无人系统与人工智能的演进随着科技的不断发展，无人系统和人工智能在军事领域扮演着越来越重要的角色。
尤其是在水面战场上，无人系统和人工智能的应用正在逐渐改变战争的面貌。
本文将探讨无人系统和人工智能在未来战争中水面打击方面的应用及其影响。
一、无人系统在水面打击中的应用无人系统作为现代战争的重要组成部分，正逐渐取代传统的人力投入。
在水面战场中，无人系统的应用主要体现在以下几个方面：1. 无人水面舰艇（USV）：无人水面舰艇是一种利用先进的自主导航系统和传感器设备实现无人操控的舰艇。
它可以执行多种任务，并且具有较高的机动性和隐蔽性。
无人水面舰艇的出现使得水面打击作战可以在没有实际人员参与的情况下进行，减少了人员风险。
2. 无人潜艇（UUV）：无人潜艇是一种能够在水下执行任务的无人系统。
它可以潜入水下深处，执行侦察、布雷、反潜等任务。
无人潜艇的隐蔽性强，可以大大增强水面打击的威力和效果。
3. 无人机（UAV）：虽然无人机主要应用在空中打击中，但它们也可以在水面战场上发挥重要作用。
无人机可以通过舰载平台或者陆地基地进行起降，执行侦察、监视和目标打击等任务。
无人机的应用可以提供水面目标的及时情报并实施精确打击，增强水面打击的作战效果。
二、人工智能在水面打击中的应用随着人工智能技术的迅速发展，其在水面打击中的应用也越来越广泛。
人工智能在水面打击中的应用主要体现在以下几个方面：1. 目标识别与跟踪：利用人工智能技术，可以实现对水面目标的快速识别和跟踪。
通过分析大量的图像和数据，人工智能系统可以准确地判断目标的类型、位置和运动轨迹，为水面打击提供重要的情报支持。
2. 智能决策与规划：在水面打击作战中，人工智能系统可以根据实时情报和战场需求，进行智能决策和规划。
它可以根据任务要求、敌情态势和战术需要，自主选择最优的打击方案，并进行指挥协调。
3. 自主战斗系统：人工智能技术可以实现水面无人系统的自主战斗能力。
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（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。
uuv水下对接技术发展现状与关键技术
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许光：UUV水下对接技术发展现状与关键技术
操纵其靠近水下对接平台，当进入距离水下平台1 k m 范围内时，潜水器自带的导航声呐引导其靠近 对接点。到达对接点后，操纵人员利用潜水器前部 的电视摄像头来调整推进器和机械臂来完成对接 动 作 ，如 图 4 。一旦成功对接，水下平台中的数据 就 能 传 送 到 水 面 船 只 了 。当 数 据 传 送 完 成 后 ，作为 数据传送中继站的潜水器就会从对接点分离开来 并返回到水面船只。
是 一 种 实 验 性 的 uuv[9’1()]，己经能成功进行水下平
台 的 对 接 ，并 且 能 自 动 补 充 能 量 ，其研制的目的是 为了 U U V 的小型化做准备。小 型 UUV 携带的能量 有 限 ，不 能 长 时 间 在 水 下 工 作 ，需 要 不 断 补 充 能 量 。 2 0 0 3 年 进 行 的 海 试 验 证 了 其 对 接 装 置 的 实 用 性 。它 的 泊 坞 系 统 采 用 了 一 种 全 新 的 方 式 （类似于飞机着 陆地面），同 时 在 U U V 上还带有两个捕捉臂，用来 捕捉泊坞平台上的V 型定位装置，实现最终的定位， 完 成 U U V 的能源和数据信息的驳接，如 图 10。
Woods Hole Oceanographic Institution 的 Hanumant Singh等人提出了使用多个Odyssey型 UUV的海洋 数据采样网络系统[1]，如 图 1 , 该系统能在水下对
图 2 Odyssey型 AUV及其水下对接装置工作原理
美国海军无人系统作战特点及关键技术分析_闫超
闫 超等：美国海军无人系统作战特点及关键技术分析
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放式构架之前，美国做了大量的前期研究工作，包 括旨在提高成员国通信和信息系统互换性的北约 标准化协议（Standardization Agreement），旨在加强 有人、 无人系统协同化的标准信息交换准则及协 同概要 （Interoperability profiles）以及 DAPPA 与美 国海军共同提出的能够适用于当前和未来子系统 的模块化接口、 获得和共享无人机获得的情报数 据的通用操作系统（COS）[9]。 这些区域化的协同标 准协议的拟定为能够生成最终的通用协同标准奠 定基础。
在 2013 版无人系统路线图中，美国国防部就 提出了解决协同化过程中的两种技术方案。 一方 面，从转换软件下手。 转换软件针对不同系统进行 通信服务，位于操作系统和应用软件之间，具有标 准接口和通用协议。 无论载荷和操作系统如何升 级，只要转换软件对外接口不发生变化，应用软件 就不需要做任何改动。 另一方面，无人系统要拥有 多种数据格式的接收和处理能力， 接收和分析算 法能够采用不同的数据格式或类型进行运算，从 而减少系统工作量。
（二）海军编队攻击范围提高，形成软硬杀伤 能力
海军无人系统一方面可以搭载攻击性武器模 块，利用无人系统的隐蔽性和机动性，能够在距离 母艇较远的环境下执行攻击任务， 对敌方单位造 成硬杀伤，具有暴露目标小，隐蔽性强等特点。 另 一方面，无人系统可以充当诱饵，通过向敌方信息 系统发布错误情报或产生干扰信号造成敌方监视 活动失灵，对敌方单位造成软杀伤。 通过这种软硬 杀伤能力能够在最大范围内保证母艇足够安全， 并对敌方单位产生战略威慑及攻击破坏， 对于提 高整个海军舰艇编队的攻击能力和攻击范围具有 重要的作用。
水面无人艇协同技术项目指南
水面无人艇协同技术项目指南引言：水面无人艇协同技术是一项具有广阔前景的领域，其应用范围涵盖了海洋探测、救援行动、科学研究等多个领域。
本项目指南将介绍水面无人艇协同技术的基本原理、关键技术以及应用前景，以期为相关研究人员和工程师提供参考和指导。
一、水面无人艇协同技术的基本原理水面无人艇协同技术是指多艇之间通过无线通信和协同控制实现艇队的协同行动。
其基本原理包括艇队组网、任务规划、路径规划以及信息共享等方面。
艇队组网是指多艇之间建立通信网络，以便传递信息和指令。
任务规划是指根据任务需求和艇队能力，将任务分解为子任务，并分配给每艘无人艇。
路径规划是指根据任务需求和环境条件，确定每艘无人艇的最优航行路径。
信息共享是指艇队成员之间共享感知信息、任务信息和状态信息，以便实现协同决策和行动。
二、水面无人艇协同技术的关键技术1. 通信技术：艇队成员之间需要实时传递信息和指令，因此需要可靠的无线通信技术，如卫星通信、无线局域网等。
2. 定位与导航技术：艇队成员需要准确确定自身位置和航向，以及实现艇队的集结和编队行动，因此需要精确的定位与导航技术，如全球定位系统（GPS）、惯导系统等。
3. 避碰与避障技术：艇队成员需要避免相互碰撞和避开障碍物，因此需要具备避碰与避障的能力，如雷达、激光雷达等。
4. 任务规划与路径规划技术：艇队成员需要根据任务需求和环境条件，合理规划任务和路径，以实现高效的协同行动，因此需要有效的任务规划与路径规划技术，如人工智能算法、遗传算法等。
5. 信息融合与决策技术：艇队成员需要共享感知信息和状态信息，以实现协同决策和行动，因此需要信息融合与决策技术，如多智能体系统、协同过滤算法等。
三、水面无人艇协同技术的应用前景水面无人艇协同技术具有广泛的应用前景。
在海洋探测领域，水面无人艇协同技术可以应用于海洋环境监测、海洋资源勘察、海洋生态保护等方面，实现对海洋环境的全面监测和保护。
在救援行动中，水面无人艇协同技术可以应用于海上搜救、灾害救援等方面，提高救援效率和减少人员伤亡。
自主式无人水面航行器制导与控制算法研究
自主式无人水面航行器制导与控制算法研究无人水面航行器(Unmanned Surface Vehicle,USV)具备隐蔽性好、体积小、生存能力强等优势,在海洋资源勘探和维护海域安全等方面具有广阔的应用前景。
但目前USV多为半自主型,需进一步提高自主性能,实现完全自主应用,而制导与控制是其中的关键技术。
因此,针对制导与控制技术在USV自主航行系统中的具体应用,本文展开对全局路径规划、路径跟踪控制和避障轨迹规划算法的研究工作。
主要研究内容如下:建立水平面三自由度USV运动模型及海流扰动下的摄动运动模型,为后续章节自主式USV制导与控制算法的具体研究奠定基础和提供理论支撑。
针对USV的路径规划问题,提出了基于粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)和费马螺旋曲线(Fermat’s Spiral,FS)的全局路径规划算法。
首先,从USV的航行特点出发,采用PSO全局路径规划算法,搜索航路点序列并将其顺序连接,以获得可行、最短且绝对安全的折线路径。
然后,利用FS曲率可从零变化且连续的特点,设计FS光顺折线路径策略,使得所规划路径的方位和曲率均为连续函数,进而可应用于精确的路径跟踪等运动控制中。
其次,考虑到USV的机动性能限制,在FS过渡曲线设计中加入最小回转半径约束,最后通过仿真实验对其所设计算法有效性进行验证。
针对海流扰动下的欠驱动USV路径跟踪问题,提出基于级联方法的视线(Line Of Sight,LOS)制导自适应滑模控制律。
首先,通过对非对称运动模型进行坐标变换,获得典型的欠驱动系统模型,便于控制器设计和稳定性分析。
其次,考虑到系统的全局稳定问题,重定义漂角和在非奇异Frenet-Serret(SF)坐标下描述路径跟踪误差动态模型,并整理成级联系统形式。
然后,针对系统的欠驱动性,将路径参数更新律作为附加控制输入,并基于改进的时变距离LOS制导律设计位置跟踪控制律;针对海流扰动,采用自适应滑模技术分别设计航向和纵荡速度跟踪控制律;依据级联系统理论,分析并获得路径跟踪控制系统的一致半全局指数和一致全局渐进稳定性。
论文专区▏无人水面测量艇研制技术（二）：测量设备加装及无线数据传输技术
论文专区▏无人水面测量艇研制技术（二）：测量设备加装及无线数据传输技术【编者按】通过在无人水面测量艇加载测深、侧扫等测量设备，结合无线数据传输技术即可实现在岸边或母船上对无人测量艇的操控，达到水深测量全过程的自动化、智能化。
论文综合考虑测量艇各舱室的配重情况，提出了具体的测量设备加装设计方案，针对测量设备众多、接口复杂、集成难度大的难题，采用了基于串口转换软件的远程控制技术结合无线数据传输的方案，实现了通过岸台基站即可直接对船台测量设备进行实时监控及参数设置调整。
本文发表在《海洋测绘》2016年第3期上，现编发给朋友们阅读了解。
黄贤源，男，福建泉州人，工程师，博士，主要从事多波束水深测量数据处理研究。
文/黄贤源陆秀平邓凯亮吴太旗暴景阳一、引言无人水面艇（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，通过植入不同的任务模块，无人水面艇可以执行不同的任务，拓宽了无人水面艇的应用范围[1]。
例如将IP摄像头加装在USV上即可对港口进行监控，保障港口和航道的安全，这种模式能移动的执行监控任务，及时地传输拍摄到的画面及视频到控制台，克服了固定摄像机视频监控系统的缺点；配备水质采样设备的USV能实时进行远程采样监测，而且不受地理环境、气候、天气等因素的制约，在一些受到吃水深度影响的浅水区域，这种作业模式往往更为便捷有效，将水质采样设备更换为水文勘察仪器即可实现水域的水文观测。
无人水面测量艇主要针对港口、岛礁周边浅水区域水深测量的特点进行研制，其主要任务是在常规水深测量手段受限的条件下，可以快速机动高效地实施水深测量，因此无人水面测量艇加载的测量设备包括双频测深仪、侧扫深纳、高精度的GNSS定位设备、声速剖面仪、电子罗盘、北斗通信终端、船台采集工控主机等测量设备。
文章综合考虑测量艇各舱室的配重情况，提出了具体的测量设备加装设计方案，为了实现通过岸台基站即可对无人水面测量艇及船台测量设备进行操控，采用了基于串口转换软件的远程控制技术结合无线数据传输的方案。
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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，所有的监控参数都会被实时地传输到陆地控制中心（SCC）。
当船舶离陆地较近时，可通过GSM、3G或者4G网络进行通信；当距离较远时，就需要用到卫星通信了。
MUNIN项目组专门设置了仿真中心，可对控制策略进行仿真，节约了成本的同时也提高了安全性。
（二）USV动力机构USV动力推进方式有螺旋桨推进、喷水推进和风力推进。
螺旋桨推进在船舶推进中占有统治地位，发展历史长达300多年。
喷水推进方式在高速时具有优异的推进效率和操纵性能，在军舰上使用较多。
YAMAHA公司“UMV-O”号USV 使用的是喷水推进，最高航速能达到40kn。
统计资料表明，使用螺旋桨作为动力的USV仍是主流。
螺旋桨在低速时比喷射更有效率，建造和维修成本也更低。
风力能源取之不竭，使用风力作为动力的USV续航力在理论上是无限的。
但由于这类USV仍需进行数据采集、路径控制、信息传输等任务，对电能也有一定的需求。
（三）自动避碰技术及路径规划船舶在航行时周围环境的变化十分迅速且不可预知，具备自主航行能力的船舶需要一套完善且实时的导航控制系统（GCS）。
自动避碰技术是USV实现自动导航系统的关键，里斯本科技大学L.P.Perera提出基于自动避碰的导航系统的基本框架。
USV在航行时与其它船舶具有“同等地位”，必须遵守水路交通的法规法则。
国际海上避碰规则（COLREGs）是IMO制定的海上交通规则，适用于在公海和连接公海可供海船航行的一切水域中的一切船舶。
USV在海上航行时也须遵守COLREGs规则。
针对我国内河具体航行环境，2003年9月交通部发布了《中华人民共和国内河避碰规则（2003年修正本）》，细化了我国内河船舶航行和避碰规则。
在国外，MIT海洋工程部门Michaeel R.Benjamin等分析了自主航行USV遵守COLREGs的必要性，并对USV如何实现自动避碰给予建议。
贝尔法斯特女王大学Wasif Naeem 等进一步提出了应用DPSS算法来进行COLREGs规则下的USV航行最佳路径选择。
在国内，哈尔滨工程大学卢艳爽基于A*算法，并融合传感器实时的USV和障碍物的数据，实现了USV实时动态避碰。
大连海事大学王哲建立了基于COLREGs规则下评判碰撞危险度的模型，并利用USV避碰系统知识库来实现自动避碰的。
江苏科技大学陈超等为解决USV路径规划问题，提出了一种基于可视图的A*算法，可提高路径规划的效率，并对该算法进行了仿真验证。
关于避碰算法研究普遍停留在理论和仿真验证阶段，在实船验证方面还存在不足。
目前针对内河环境的USV自动避碰方面研究很少，有待进一步深入。
（四）未来技术发展随着信息技术、网络技术、人工智能的进步，USV将向网络化、智能化以及模块化发展。
1.CPS在USV中的应用信息物理系统（cyber-physical systems,CPS）是基于嵌入式设备的高效能网络化智能信息系统，它通过一系列计算单元和物理对象在网络环境下的高度集成与交互来提高系统在信息处理、实时通信、远程精准控制以及组建自动协调等方面的能力，是时空多维异构的混杂自治系统。
CPS在功能上主要考虑性能优化，是集计算、通信与控制3C技术于一体的智能技术，具有实时、安全、可靠、高性能等特点。
与嵌入式系统不同的，CPS把通信放在与计算和通信同等地位上，强调的分布式应用系统中物理设备之间的协调是离不开通信的。
此外，CPS对于异构信息具有很好的适应能力，同时允许系统中部分部件动态的退出和进入，具有很好的容错性。
USV正常航行离不开位置、速度、视觉、姿态、雷达等多源异构信息的支持，CPS能很好地满足USV的需求，在未来对USV的研究中，应考虑应用CPS的可能性。
2.新能源的应用由于石油等不可再生资源的日渐枯竭以及排放造成的环境问题，节能减排已成为世界热门议题。
海运是国际物流最主要的方式，对船舶使用新能源的需求越发迫切。
国内外围绕太阳能、风能等新能源开展研究比较多，但离商用仍有一定距离。
USV船型较小，操控方便，成本相对低廉，可优先考虑新能源的应用。
目前USV能源以汽油、柴油和存储在电池中的化学能为主，但也有USV尝试使用新能源。
UOV 公司研发了以风能为动力能源、太阳能和回收动力为电能的USV，实现了能量的自给自足。
比如“Charlie”号USV，其动力来源于电机，其在船上配备了太阳能板，在一定程度上提高了它的续航力。
以风作为动力的帆船已有千年的历史。
风帆控制较为复杂，而且帆船还要受到海浪、海风及海流等环境的扰动作用。
帆船的航行控制对象具有非线性和时变性，其所处的外部环境复杂多变，所以其本身的数学模型和扰动模型难以精确建立。
除风能外，可利用太阳能、波浪能作为辅助能源。
在风帆上布设柔性太阳能板是一种比较节约空间的方式。
除此之外，高度可靠自主排除故障能力也是USV在今后发展中面临的主要挑战。
二、USV发展展望从目前情况来看，USV 在军事上应用最为常见，在民用领域USV也即将扮演越来越重要的角色。
以下分别在航道数据测量和海事巡航两方面加以论述。
（一）航道数据测量欧美和日本等国利用USV 采集海洋环境数据，这样技术已较为成熟，大大节约了人力和费用。
我国内河航运在国家运输业中发挥的作用日渐明显，航道作为航运三大基本要素之一，航道数据是航运管理的重要依据，也是构建“智能航道”的必要条件。
航道数据主要包括河床数据、航道尺寸、航道演变、水文数据、水位、航标及其他助航设施布设情况等。
受潮汐、气候因素的影响，航道数据变化频繁，需及时更新。
水深、水流速度等数据采集点较多，采用人工方式效率较低。
配备水深、流速和风速等传感器的USV，通过远程操控或自主航行方式实时采集航道数据。
如果采集工作量大或者更新速率要求高，则可组织多艘USV联合作业，将目前航道数据采集由单点扩展成多点，形成数据采集网。
采集的航道数据通过专网传回数据服务器，经过解析、存储后，实时显示在电子航道图上，同时提供航道数据服务平台，供海事管理部门和船舶用户使用。
应用USV采集航道数据提高了效率的同时也提高了内河航运的信息化、自动化和智能化水平。
（二）海事巡航我国内河航道中的部分河段较窄、船舶交通量大、桥梁多，船舶事故时有发生。
船舶事故发生后，越早发现危害越小，生命财产保全的可能性也越大。
同时，内河沿线多为人口集中区，事故如没有得到及时地处理，会对沿线的居民生活带来危害。
目前海事部门采用人员定期巡航，巡航时间和次数有限，且在夜间和大风浪天气下巡航较少。
在当前技术条件下将USV 应用于内河巡航已成为可能。
巡航USV应具有远程和自主航行两种控制方式，并在USV上配备摄像机和雷达等设备实时监测航道情况。
在远程控制模式下，USV依靠远程控制人员的操控执行巡逻；在自主航行模式下，USV按照事先制定的路线进行航行，一旦监测到碰撞、火光等异常现象则报警，值班人员再进行确认。
三、结束语USV已是未来海洋和内河航运发展战略中不可或缺的一部分。
在现有研究基础上，应结合计算机技术、网络技术、人工智能、信息技术和CPS等实现对USV研究新的突破。
随着USV相关技术和理论的不断发展，它在航道数据测量和自动巡航等方面将会有很好的应用前景。