无人舰艇集群发展分析
时间：2020-04-05 05:11:12 来源：千叶帆 本文已影响人
摘 要：随着集群技术的不断发展，无人舰艇集群技术展现出了巨大的应用前景。本文介绍了国内外无人舰艇集群技术的发展情况，阐述了目前无人舰艇的原理及关键技术，指出了无人舰艇研究过程中的难点和重点，为下一步更加深入地研究提供参考。
关键词：无人舰艇；集群技术；智能控制；协同作战；优化设计
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.15.215
0 引言
水面无人艇（ Unmanned surface vehicle，USV） 是一种无人运载器，即在无人驾驶下，具有极高的自主能力的舰艇。无人舰艇的出现，是现代智能控制、无人装备系统工程设计以及结构一体化等技术手段的综合产物，作为无人驾驶的海上运载平台，由于其长航时、低成本和大范围的巨大海洋科研与工程优势，使得无人舰艇在军事和民用领域具有极为广泛的潜在使用空间，主要集中于巡逻、搜救、警备、巡逻等军民爆炸性增长的需求。相比于有人驾驶船舶，无人艇在执行一些重复、枯燥、危险任务或者在恶劣海况下航行时，能够体现出更大的优势[1]。
与此同时，快速发展的计算机技术和多变的战场环境，单一的USV已经难以满足任务复杂度的要求，因此，研究者的关注度已经从单一的USV研究转变到多 USVs 的集群协同任务规划问题领域。智能无人武器的集群化运用，将颠覆性地改变未来作战“杀伤链”设计，催生新型作战样式，突破层级结构、线性积累等规律。因此，研究无人舰艇集群协同技术，是现代军民技术的必然趋势。
1 国内外研制现状及发展趋势
1.1 国内研制现状
国内针对水面无人艇集群方面的研究起步较晚，但发展速度较快，正在逐渐缩小与平发达国家的差距[2]。
哈尔滨工程大学对多USV协同控制进行了研究，提出了在通信时滞下多UUV沿多条给定路径编队运动的控制器设计问题；利用一种基于状态估计均方误差最小的延时扩展卡尔曼滤波定位误差修正方法，定性和定量的对多 USV 协同导航系统的观测性进行了研究，结果表明，系统可观测性大小取决于由各UUV间的距离向量速度向量之间的相互关系。
西北工业大学也是国内多USV研究的领头羊。主要从协同导航下手，提出了多 USV 协同导航体系、移动长基线协同导航、 单领航者协同导航以及洋流干扰下的单领航者测距协同导航方法等。在苛刻条件下，开展了对单领航者、双领航者两种模式下多USV 协同导航算法的研究；并且基于移动长基线 （MLBL）导航理论，建立了一种虚拟移动长基线（SMLBL）协同导航模型，同时对单向水声通信的协同导航算法进行了设计。
总体来说，无人舰艇集群技术是国内研究的一个重点与难点。
1.2 国外研制现状
国外对无人舰艇集群技术的研究较为深入，一系列的关键技术和应用成果已经问世[3]。
美国国防高级研究计划局（DARPA）早在 2009 年就开始部署网络协同无人潜航器（CNAV） 系统，统配合固定式被动声纳节点，应用于分布式敏捷猎潜系统（DASH），用于探测潜艇目标。英国也在这方面取得了很大进展。在 2016 年进行的“无人战士”（unmanned warrior）演习中，英国演示了50多个UAVs、USVs、UUVs 等各类海上自主系统（MAS）的 ISR、ASW、 MCM 能力，并且首次用4艘传感器密集型自主远程艇（SHARC）组成的持久机动探测网络发现、报告和跟踪了真实柴电潜艇和UUV。欧盟第七科技框架计划（FP7），于2014 年开展了“自主认知潜水协同作业项目”，用于协同人类潜水者在危险水区内进行科研、考古或者商业探索活动时完成高效率作业的水下航行器领航跟踪系统（leader tracking system，LTS）。
这一系列的研究应用为无人舰艇集群技术提供了可供参考的途径和方法。
2 无人舰艇集群关键技术
2.1 基本原理
无人舰艇集群攻击任务规划问题的示意图如图3描述。假定多 USVs 系统的任务环境为一个二维平面，则主要包括外界环境的障碍与威胁信息，路径信息，任务信息等。具体可形容为：障碍物与威胁区域的位置和威胁区域的威胁半径；任务点的具体位置信息和各任务点的任务需求； USVs 的具体位置和各个 USV 的攻击力度信息； 以及USVs 与任务目标之间的安全路径[4-5]。
2.2 关键技术
2.2.1 艇型优化设计
艇型技术是影响无人水面艇的快速性、稳性、耐波性、抗沉性和操纵性的关键技术。国外海军装备的无人水面艇主要采用常规单体滑行艇、双体槽道滑行艇、小水线面双体船和多体船等艇型。具体优缺点如表1 所示。
2.2.2 自主航行
无人水面艇的核心技术是自主航行，通过自主航行技术，无人水面艇可以完成预定任务，从而适应反潜、反水雷、海上安全、情报监视侦察等特种作战任务。
其中，最为重要的是传感器技术。目前无人水面艇安装有多功能高级稳定系统（ CoMPASS） 传感器转塔， 转塔上集成了激光扫描仪、激光测距仪、CCD电视摄像机、第三代前视红外热成像仪以及激光目标照射器等[6]。
无人水面艇的运动控制包括航速控制和航向控制等，一般采用经典的PID控制技术、智能PID控制技术、PD 控制技术、自适应控制器、模糊控制器和卡尔曼滤波技术等设计控制器实现航速和航向的控制。
2.2.3 集群协同作战技术
无人水面艇集群协同作战技术中，最重要的是自主编队控制技术，它是无人艇集群执行任务的最基本要素[7]。编队控制的定义为，控制无人艇编队按照特定几何构型执行动作，研究重点在于编队构成/重构以及编队保持等方向。目前，主要的编队控制方法包括主从型、虚拟结构型以及基于行为型等。除此之外，集群感知和共享技术也是研究重点。舰载计算机对各无人艇上的传输数据进行综合，完成各无人艇感知数据的综合处理，得到的处理结果作为无人艇集群控制与决策的主要依据，由此实现自主判断。这部分主要涉及信息处理与障碍检测技术以及实时数据通信技术等。集群无人水面艇的路径规划也是重点之一，主要方法是利用全局路径规划，通过电子海图寻优出一条最优路径。同时也可以通过局部优化，规划基本路径，通过传感器获取无人水面艇的位置信息和周围环境信息，建立起无人水面艇的运动特性模型，并融入国际海上避碰规则，利用速度障碍法、动态窗口法等对动态船舶及静态障碍物等进行合理避让。
3 结束语
USV集群技术作为一种具有颠覆性的智能集群技术，是未来海战的生力军与关键技术。随着艇型优化技术、智能控制技术、无线通信技术等的发展，USV集群智能关键技术也将越来越成熟，必定在海洋战争及海陆空协同作战中扮演重要角色。
参考文献：
[1]杨建，罗涛，魏世乐等.基于MHE的多UUV协同定位方法[J]. 舰船科学技术，2017，39（12）：81-85.
[2]周洪光，马爱民，夏朗.无人水面航行器发展[J].国防科技，2009，（06）：17-20，30.
[3]G Bruzzone，M Bibuli，M Caccia.Improving Coastal Operations With Unmanned Surface Vehicles Charlie USV Overcomes Common Problems By Utilizing Dual-Communications System.Acoustic Integration，Mission Control[J].SEA Technology，2011，52（07）：46-49.
[4]王家鑫.反潜无人水面艇及其声纳设备[J].声学与电子工程， 2015（02）.
[5]罗德林，张海洋，谢荣增等.基于多Agent系统的大规模无人机集群對抗[J].控制理论与应用，2015，32（11）.
[6]万接喜.外军无人水面艇发展现状与趋势[J].国防科技，2014， 35（05）：91-96.
[7]尚燕丽.海军发展无人作战平台的需求、现状与展望[J].国防技术基础，2009，1（01）：40-44.
作者简介：李建起 （1981-），男，河北黄烨人，硕士在读，助理工程师，研究方向：舰船系统与运用工程、通讯电子、控制工程。
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