無人水面艇技術發(fā)展回顧與趨勢分析

張 偉，廖煜雷，姜 峰，趙鐵軍

（1. 哈爾濱工程大學，哈爾濱150001；2. 哈爾濱工業(yè)大學，哈爾濱150001）

1 引 言

近年來，無人平臺技術獲得了世界范圍內(nèi)的廣泛重視和深入研究，尤其是無人機技術發(fā)展尤為迅猛，并在多個領域?qū)崿F(xiàn)了成功應用。無人水面艇與無人機、無人車和無人潛航器同屬于四大無人平臺成員，如圖1所示。受到控制、計算機、人工智能、材料、通信等高新技術的有力推動，近30年來無人水面艇（Unmanned Surface Vehicles，USV）技術發(fā)展較快，并被應用于民用及軍事領域。

圖1 四大無人平臺(源自互聯(lián)網(wǎng))Fig.1 Four unmanned platforms(from the Internet)

在2007年，美國海軍制定發(fā)布了第一個無人艇總體規(guī)劃圖，在規(guī)劃中把無人艇定義為一種靜止時浮于水面，而在運動時幾乎持續(xù)地同水面接觸，具有不同自動操控能力的無人運載器[1]。同其它無人平臺一樣，無人艇被應用于環(huán)境惡劣、危險、枯燥或不適于人的任務中，無人艇的顯著特點為：（1）環(huán)境適應性強；（2）活動范圍廣、經(jīng)濟性好；（3）小型輕便、艇型豐富；（4）多種推進方式；（5）信息化載體；（6）減輕人的負擔、無人員傷亡[2]。裝備在海洋環(huán)境中執(zhí)行任務或作業(yè)時，首先要考慮到海洋獨特的工作空間環(huán)境。相比于其它工作環(huán)境，海洋裝備的工作效率、性價比和人員設備安全是重要的參考條件。無人艇與常規(guī)裝備相比，具有自主操控、部署便捷、運維成本低、吃水淺等特點，無人艇通過搭載不同的功能模塊，能夠無人化、低成本、靈活自主地執(zhí)行多種海上任務，包括海域測繪、水文氣象觀測、應對化學/核輻射污染突發(fā)事件、情報偵察、反水雷、反恐等[3-4]。

2 研究背景及意義

隨著人口劇增，陸上資源的日益匱乏，人們迫切地需要從占地表面積70%的海洋獲得資源；近年來海洋環(huán)境保護、全球氣候變暖等問題也越來越受到人們的高度重視。同時，各軍事大國歷來極為重視經(jīng)略海洋，未來海上斗爭激烈，維護海洋權益任務艱巨。然而，我們對于海洋的了解甚至落后于太空。發(fā)展無人艇技術對于推動海洋開發(fā)、保護海洋環(huán)境、保衛(wèi)海洋安全等具有重要作用。對無人艇技術的研究、應用需求，主要體現(xiàn)在以下三個方面：

（1）認識海洋的需要

俄國科學家門捷列夫說：“科學是從測量開始的”。工欲善其事，必先利其器，海上任何活動，無論是海洋開發(fā)，還是海洋軍事，都需要技術先進、性能可靠、使用方便的監(jiān)測裝備來保駕護航。我國海洋科學考察正在進入世界先進行列，考察區(qū)域已由海岸帶、近海拓展到三大洋和南北極等遠海區(qū)域。

隨著資源、能源開發(fā)利用進程的逐步深入，對全球氣候變化的廣泛重視以及海洋科學的發(fā)展，使得海洋觀測正在發(fā)生革命性的變化。研制和構建由科考船、衛(wèi)星、無人艇、無人機、潛/浮標、無人潛航器等有人/無人裝備組成的海洋立體監(jiān)測系統(tǒng)（如圖2所示），將顯著提升觀測的時間寬度、空間廣度，這對有效認識海洋具有深遠影響。

圖2 歐盟2020年海洋立體監(jiān)測系統(tǒng)想象圖Fig.2 Imagination of EU marine stereoscopic monitoring system in 2020

（2）海洋經(jīng)濟的需要

船舶是極其復雜的系統(tǒng)，為了保證在復雜海洋環(huán)境中船舶航行與作業(yè)安全，目前船上仍配備了大量技術人員。隨著運輸、人力等成本高漲，造成了航運經(jīng)濟性較差；同時人工操縱存在失誤、疲勞等問題導致海上事故頻發(fā)；而且由于海上環(huán)境惡劣，必須考慮到人員耐受性要求，這嚴重影響了艦船作業(yè)時間和范圍。

隨著通信、計算機、自動化等科學技術發(fā)展，船舶的自動化程度逐漸提高，操控船舶所需的人員變得越來越少。未來船上甚至不再需要配置船員，逐步實現(xiàn)無人化（如圖3 所示），這將顯著提高經(jīng)濟性和適應性。

（3）海洋安全的需要

海軍是極其復雜的高技術型軍種，其發(fā)展需要數(shù)十年的技術積淀。盡管21 世紀以來海軍裝備信息化水平得以極大提高，然而目前處于最高發(fā)展水平的美國海軍，一艘常規(guī)驅(qū)逐艦上仍有數(shù)百名戰(zhàn)斗和執(zhí)勤人員，一支航母編隊則由上萬人組成。生命最為寶貴，然而戰(zhàn)爭就意味著流血和犧牲，如何減小傷亡并打贏戰(zhàn)爭顯得極為重要，無人武器系統(tǒng)的出現(xiàn)讓我們看到了希望。

圖3 未來海上無人運輸船隊想象圖Fig.3 Imagination of the future maritime unmanned transport fleet

隨著作戰(zhàn)方式的變革，無人作戰(zhàn)系統(tǒng)成為現(xiàn)代武器裝備的發(fā)展趨勢，得到各國高度重視。主要軍事強國正在大力推動有人/無人系統(tǒng)的深度融合，逐步實現(xiàn)智能、協(xié)同的海陸空聯(lián)合作戰(zhàn)（如圖4所示），這將是未來戰(zhàn)爭的一個發(fā)展趨勢。

圖4 未來的海陸空立體作戰(zhàn)模式想象圖Fig.4 Imagination of future sea,land,and air threedimensional combat mode

因此，在認識海洋、經(jīng)略海洋、保護海洋的戰(zhàn)略需求驅(qū)動下，深入發(fā)展無人艇技術、推動無人裝備應用，具有顯著的理論價值和現(xiàn)實意義。

3 無人艇的系統(tǒng)構成及技術內(nèi)涵

3.1 系統(tǒng)構成

無人艇的架構設計一般劃分為監(jiān)控站（岸基/母艦監(jiān)控分系統(tǒng)）、無人艇（本體分系統(tǒng)）兩大部分。對于無人艇本體而言，根據(jù)任務、功能的不同，無人艇的系統(tǒng)構成主要包括：載體、動力、操縱、控制、感知、通信、導航、載荷、作業(yè)、保障等子系統(tǒng)?；谀K化的設計理念，可將子系統(tǒng)細分為各個功能模塊。無人艇研制中，依據(jù)使命任務需求和總體設計方案，分別對各功能模塊進行技術攻關、詳細設計、軟硬件開發(fā)，通過系統(tǒng)集成最終構建出具備自主操控、安全航行及特定功能的無人系統(tǒng)。

一種典型的無人艇系統(tǒng)構成圖如圖5 所示，為了保障無人艇有效運行，其中包含約20 個子系統(tǒng)（功能模塊），顯然無人艇是一個非常復雜的系統(tǒng)。

圖5 一種典型的無人艇系統(tǒng)構成圖Fig.5 Typical system composition of unmanned surface vehicles

無人艇的各個子系統(tǒng)（模塊）之間緊密聯(lián)系，相互支撐、缺一不可。無人艇遂行任務時，通過遠程通信模塊實現(xiàn)無人艇與監(jiān)控站之間的無線信息交互，接收指控指令，并反饋艇載信息（艇體、環(huán)境、目標等數(shù)據(jù)）；無人艇的核心是智能控制分系統(tǒng)，它結合艇體姿態(tài)、環(huán)境感知模塊獲得環(huán)境/目標信息及使命任務，進行任務決策、路徑規(guī)劃、障礙規(guī)避、航跡跟蹤，甚至協(xié)同控制；對于一些軍用無人艇，會通過目標感知及態(tài)勢，啟動智能打擊及防御模塊，對目標進行打擊或自身防御。在無人艇出現(xiàn)故障后，可以通過故障診斷模塊進行分析、處理，啟動相應的安全策略。同時，通過自動駕駛模塊可以切換遙控模式或自主模式，根據(jù)不同任務及需求選擇適宜的運行模式。

3.2 技術內(nèi)涵

（1）技術研究角度

無人艇技術具有多學科交叉融合、集成性和前瞻性的特點，涉及船舶與海洋工程、電子工程、計算機技術、信息技術、控制技術、人工智能、通信技術等眾多學科領域。

無人艇的關鍵技術主要包括載體設計、自主規(guī)劃與控制、環(huán)境感知、布放回收、武器投放、通信、動力、有效載荷等技術。其中，無人艇的通信技術基本上可以借鑒來自水面有人艦船的成熟技術，而動力系統(tǒng)則主要采用柴油發(fā)動機或鋰電池，因此這兩項技術門檻相對較低。而無人艇的有效載荷技術方面的門檻較高，突破難度較大。

①載體設計技術

載體系統(tǒng)是無人艇的“身體”即平臺基礎，載體設計技術包括無人艇的艇型設計、動力學分析與測試、總體設計與集成、高速航行穩(wěn)定性、抗傾覆性、浮態(tài)自恢復等技術。

目前，無人艇主要包括滑行、排水、多體、水翼、半潛等五類艇型。其中軍用領域一般采用滑行或半滑行艇型，而民用領域則一般以排水、多體型為主。

②自主規(guī)劃與控制技術

如果把無人艇比作一個人的話，那么智能控制系統(tǒng)將是無人艇的“大腦”，而自主技術則是其核心。

自主技術能夠降低無人艇對于人員和通信帶寬的需求，同時擴展任務范圍或改善操控性能。一直以來自主技術都是無人裝備的核心研究領域，雖然近年來發(fā)展迅速，但是自主等級、可靠性和環(huán)境適應性等仍有很大提升空間。

③環(huán)境感知技術

環(huán)境感知系統(tǒng)是無人艇的“眼睛”，是實現(xiàn)自主航行和作業(yè)的前提。

近年來，盡管在無人艇傳感器及處理技術方面有了較大發(fā)展，但在環(huán)境感知技術領域仍存在較多技術問題。比如海上視覺感知算法，當前仍處在初期發(fā)展階段，可靠跟蹤、識別能力亟待提高。

④武器投放技術

載荷系統(tǒng)是無人艇的“拳頭”，為執(zhí)行反水雷、反潛、反恐等任務，要求無人艇能夠攜載、投送專門的武器（載荷）。

面臨的主要技術挑戰(zhàn)是在各種海況下可靠地跟蹤、瞄準目標并遂行打擊。目前，主要是通過遙控站的方式進行武器控制，還未實現(xiàn)自主式武器控制。

⑤布放與回收技術

部署系統(tǒng)是無人艇的“保障”，布放回收技術是無人艇能否成功運行的關鍵。

無人艇布放回收技術面臨的挑戰(zhàn)，包括布放、回收作業(yè)的安全和可操作性，系統(tǒng)的通用、自主與可移植性，無人艇與母平臺潛在沖突等。目前，美國的無人艇布放回收技術水平最高、發(fā)展最快。

（2）軍事應用角度

無人艇作為一種依靠遙控、半自主、自主甚至全自主方式在水面運行的無人化平臺，它通過搭載多種傳感器、特種裝備或武器模塊等載荷，在目標海域執(zhí)行反水雷、反潛、反艦、電子戰(zhàn)以及海上安全等任務使命。

2007年7月，美國海軍首次發(fā)布《海軍無人艇總體計劃》，該計劃中規(guī)劃了無人艇的七項使命任務和五大重點發(fā)展技術，成為了美國海軍無人艇技術研發(fā)、作戰(zhàn)運用的綱領性文件。其中，七大任務使命包括反水雷、反潛、海上安全、反艦、支持特種部隊作戰(zhàn)、電子戰(zhàn)、支持海上封鎖行動；五大重點發(fā)展技術包括自主技術、障礙規(guī)避技術、載荷/武器耦合技術、布放與回收技術、先進船體/機械/電氣/系統(tǒng)技術[5]。

4 無人艇技術的研究現(xiàn)狀

參考技術發(fā)展水平、遂行任務能力等因素，可將無人艇技術的發(fā)展分為三個主要階段。

4.1 萌芽階段

萌芽階段為二戰(zhàn)時期至20世紀90年代初。無人艇的發(fā)展歷史最早可以追溯到1898年，當時著名發(fā)明家尼古拉特斯拉發(fā)明了一艘名為Wireless robot的遙控艇。

在二戰(zhàn)時期，無人艇第一次被應用在實戰(zhàn)中。1944年，盟軍在諾曼底登陸期間，開發(fā)了可以運載大量煙幕劑的無人艇，按照預先設定的航向駛往特定海域，造成盟軍艦隊登陸的假象，實現(xiàn)其作戰(zhàn)掩護和戰(zhàn)略欺騙的目的。二戰(zhàn)后期，美國海軍還曾通過在小型登陸艇上加裝無線電控制的操舵裝置和掃雷火箭彈，用于淺海雷區(qū)作業(yè)。

二戰(zhàn)結束后，無人艇得到了進一步發(fā)展，主要用于掃雷和戰(zhàn)場損傷評估等任務，如1946年的“十字路口行動”中，原子彈每次爆炸后，均使用無人艇收集輻射水域樣品。20 世紀60年代蘇聯(lián)開發(fā)了小型遙控無人艇，主要用于向敵方艦艇發(fā)動自殺式的撞擊爆炸性攻擊。20世紀70至80年代，由于技術的限制，無人艇技術并未獲得很大突破，主要應用于軍事演習和火炮射擊的海上靶標（如圖6所示）。

圖6 美國軍事演習中的無人靶船F(xiàn)ig.6 Unmanned target ship during US military exercise

4.2 起步階段

起步階段為20世紀90年代至本世紀初。20世紀90年代后，隨著關鍵技術的發(fā)展，真正意義上的無人艇開始出現(xiàn)。比較典型的是美國研制的遙控獵雷作戰(zhàn)原型艇（如圖7 所示），成功在波斯灣跟從庫欣號驅(qū)逐艦進行了海上作業(yè)。1997年1～2月的“SHAREM 119”演習中，該艇進行了長達12 天的獵雷行動。

圖7 美國AN/WLS-1型遙控獵雷作戰(zhàn)艇Fig.7 American AN/WLS-1 remotely controlled mine hunting combat boat

這一階段，無人艇更多地處在概念武器的試驗和驗證階段，逐步具備了現(xiàn)代無人艇的基本技術特征，具有較高的自主航行能力，這與早期遙控式無人艇有本質(zhì)區(qū)別。

4.3 快速發(fā)展階段

快速發(fā)展階段為21世紀初至今。隨著計算機、信息、控制、導航、通信、新材料等相關技術的進步，無人艇技術得到了快速發(fā)展，其自主等級、性能顯著提升，并向智能化方向發(fā)展[6-11]。下面從單無人艇及多無人艇兩個角度，簡要回顧國內(nèi)外近年來的研究進展。

（1）單無人艇技術方面

美國、以色列等軍事強國高度重視無人艇技術發(fā)展，持續(xù)大力投入，據(jù)統(tǒng)計在研、現(xiàn)役無人艇共約19型63艘（美國占總數(shù)的50%），在情報偵察、反水雷、反潛等領域發(fā)揮了重要作用，典型代表有Protector（保護者）、Spartan（斯巴達）、Sea Hunter（海上獵手）。

2003年，美軍在葛底斯堡號巡洋艦上部署了第一艘斯巴達偵察兵號無人艇，在阿拉伯灣地區(qū)參與執(zhí)行了“伊拉克自由行動”和“持久自由行動”等任務。2007年，美國海軍發(fā)布《海軍無人艇主計劃》（如圖8所示），為無人艇賦予了7項任務，同時還界定了無人艇的船型、尺寸和標準等要素，這標志著美國無人艇走上了正規(guī)發(fā)展階段。

圖8 2007年美國海軍首次發(fā)布《海軍無人艇總體計劃》Fig.8 The U.S. Navy first released the Navy Unmanned Master Plan in 2007

2010年，美國預先研究計劃局（DARPA）啟動了海上獵手大型反潛無人艇研制項目（如圖9 所示）。海上獵手由美國DARPA 與海軍共同資助雷多斯工程公司研制，2010年3月正式啟動，2015年11月交付，2016年4月命名下水，計劃部署100艘。海上獵手號反潛持續(xù)跟蹤無人艇是目前美國甚至全球最先進的無人水面裝備，專門為對抗中國、俄羅斯的潛艇（尤其是安靜型潛艇）而研制，達到以建造潛艇不到1/10的成本消除敵方潛艇威脅的目的，被美國軍方譽為“預示美國機器人在作戰(zhàn)領域取得的巨大進步，可以改變美國海上作戰(zhàn)的性質(zhì)”。

圖9 美國DARPA的海上獵手號反潛持續(xù)跟蹤無人艇Fig.9 Anti-submarine anti-submarine continuous tracking unmanned surface vehicle of US DARPA

2014年，哈爾濱工程大學在國家863 項目支持下研制了天行Ⅰ號多任務高速無人艇（如圖10 所示）。該艇采用復合推進方式，艇長12m，滿載排水量7.5t，最高航速50kn，續(xù)航力1000km，可以四級海況安全航行，具備自主航行、危險感知與規(guī)避功能，以及全自主海洋環(huán)境監(jiān)測/偵察、地形探測等多任務能力[11]。

圖10 哈爾濱工程大學的天行Ⅰ號多任務高速無人艇Fig.10 TianXing Ⅰmulti-task high-speed unmanned surface vehicle of Harbin Engineering University

2018年，珠海云洲智能有限公司展示了瞭望者Ⅱ號察打一體導彈無人艇（如圖11 所示）。在艇艏位置配備四聯(lián)裝導彈裝置，采用圖像制導方式，火力覆蓋范圍為5km，同時還搭載了先進的光電系統(tǒng)和雷達系統(tǒng)。據(jù)報道這是中國第一艘導彈無人艇，也是全球第二個成功發(fā)射導彈的無人艇，填補了國內(nèi)導彈無人艇這一技術空白。

（2）多無人艇技術方面

2014年，美國海軍研究局（Office Naval Research，ONR）使用13艘無人艇進行了蜂群戰(zhàn)術測試（如圖12 所示），在測試中，所有無人艇成功實現(xiàn)將各自獲得的數(shù)據(jù)進行共享并遵循一致作戰(zhàn)協(xié)議，集群攔截了潛在敵方艦船。但在測試中一旦無人艇蜂群形成基體認知，每艘無人艇將各自執(zhí)行蜂擁行動而缺乏計劃性，即所有無人艇會涌向第一個威脅，而忽略其他危機。

圖11 珠海云洲公司的瞭望者Ⅱ號察打一體無人艇Fig.11 Zhuhai Yunzhou Company′s Watcher II Observation and combat integrated unmanned surface vehicle

圖12 美國ONR首次測試多無人艇集群協(xié)同防護重要目標Fig.12 The US ONR test utilized multi-unmanned surface vehicles cluster for critical target protection

2016年，美國ONR再次進行了無人艇蜂群技術演示驗證（如圖13 所示）。測試中共使用4 艘無人艇執(zhí)行重要港口巡邏警戒任務。據(jù)報道新版本的軟件系統(tǒng)在自主協(xié)同、行為引擎和自主目標識別方面取得了突破性進展，使得無人艇蜂群具有更豐富的作戰(zhàn)行為模式和更高的自主水平。

圖13 美國ONR第二次測試多無人艇集群協(xié)同港口警戒Fig.13 The US ONR test utilized multi-unmanned surface vehicles cluster for port alert

2017年，哈爾濱工程大學在山東海域完成了7艘同構無人艇的群體編隊海上試驗（如圖14所示）。并于2018、2019年多次完成了3艘異構無人艇的協(xié)同編隊、水上目標圍捕等外場演示試驗。

圖14 哈爾濱工程大學的7艘無人艇編隊海上試驗Fig.14 Sea trial of seven unmanned surface vehicles formation from Harbin Engineering University

2018年，在南海萬山群島海域，珠海云洲智能有限公司開展了一場迄今為止最大規(guī)模的無人艇多艇編隊技術測試（如圖15 所示）。在復雜多變的實際海況中，由56艘同構無人艇組成的海上編隊整齊劃一地前行，成功完成了躲避島礁、穿越人工設置的橋洞等任務，并能快速切換編隊造型，完成無人艇編隊的隊形保持、隊形變換等多項測試科目。

圖15 珠海云洲公司的56艘無人艇編隊海上試驗Fig.15 Sea trial of 56 unmanned surface vehicles formation of Zhuhai Yunzhou Company

5 無人艇關鍵技術的發(fā)展趨勢

無人艇技術研發(fā)和應用歷史已逾80年，伴隨著計算機技術、通訊技術、自動控制、信息技術、動力與能源技術、材料技術、人工智能等高新技術的日益發(fā)展，無人艇應用領域?qū)⒉粩嗤卣?，呈現(xiàn)出綜合化發(fā)展的良好態(tài)勢。無人艇的發(fā)展目標已經(jīng)由完成某些特定任務，向擁有智能決策、群體協(xié)同能力邁進[12-14]。綜合國內(nèi)外無人艇技術研究現(xiàn)狀及未來需求，無人艇關鍵技術發(fā)展將呈現(xiàn)四個主要趨勢。

5.1 載體設計技術

（1）總體采用模塊化設計和開放式體系結構，降低研發(fā)成本，兼具執(zhí)行多種任務的能力。

模塊化設計和開放式體系是分別設計系統(tǒng)的不同組件，將系統(tǒng)細分為較小的部分的方法，這些部分可以獨立搭建，然后在不同的系統(tǒng)中用于執(zhí)行多個功能。目前，各國開發(fā)的無人艇幾乎都采用了模塊化設計和開放式體系架構?？筛鶕?jù)不同的作戰(zhàn)任務進行不同的功能組合。整個設計是高度模塊化的，可以根據(jù)所需任務、有效負載或環(huán)境條件來替換或修改每個模塊。例如美軍研發(fā)的斯巴達偵察兵號無人艇，技術成熟的模塊囊括了監(jiān)視和偵察、反艦作戰(zhàn)、排除水雷、反潛、目標打擊等模塊，可在一個小時內(nèi)利用“即插即用”型任務模塊完成一艘基本版斯巴達偵察兵無人艇裝配。模塊化設計和開放式體系結構提高了無人艇研發(fā)進度和功能的多樣性，同時有效降低了科研成本。

（2）任務驅(qū)動的高性能、新概念艇型設計層出不窮，無人艇的載體性能得到顯著提升，并演變出更多新功能。

當前無人艇的載體構型，仍以滑行、排水、多體、水翼、半潛等五類艇型為主。但是隨著軍民領域?qū)Ω咝阅艿牟粩嘧非?，對新需求、工作域的逐漸擴展，導致常規(guī)無人艇型，已較難滿足或適應高性能、新任務對載體的苛刻需求。比如，研究可變結構、多航態(tài)的載體，提升隱蔽性或高海況生存能力；研制具備海陸兩棲航行能力的復合型載體，以應對島礁、瀕海任務需要；探索具備水下、水面、空中跨域適應性的新型航行器，以適應隱蔽潛行、快速突防的需要；研究具備高海況甚至全海況安全航行、超長航時續(xù)航能力的大型/多體載體，以執(zhí)行反潛、有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)等使命?？傊?，推動無人艇工作空間從單域向多域、跨域發(fā)展，工作時間從局部短期向廣域長航時發(fā)展，環(huán)境耐受性從低海況向高海況發(fā)展，將是一個發(fā)展趨勢。

（3）研發(fā)續(xù)航持久高效的動力系統(tǒng)，提高無人艇的活動半徑和續(xù)航能力。

在實際應用中，無人艇主要執(zhí)行環(huán)境監(jiān)測、情報搜集、海域監(jiān)視以及反水雷等任務，要求無人艇具有出色的續(xù)航能力。目前，已經(jīng)有國家著力研究長航時的無人艇。例如，美國開發(fā)的SD 1021 號和海上獵手號無人艇，英國研發(fā)的C-Enduro號無人艇等利用多種動力提高續(xù)航能力。

根據(jù)目前技術，主要從能源技術方面提高無人艇續(xù)航能力，例如用高性能電池、高能比燃料和新型能源等增大動力系統(tǒng)提供的能量。此外，基于太陽能、風能和波浪能等海洋能捕獲技術，開發(fā)海洋能驅(qū)動的新型無人艇，并成功獲得了工程應用，在這方面民用領域的研究最為活躍。

5.2 先進材料技術

先進材料技術將有可能為無人艇提供更輕、更堅固、更隱身的基礎平臺。先進材料是指能夠提供物理或功能方面高性能、新屬性的材料。先進材料技術在無人艇上的應用體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）電磁隱身。導電納米棒分散于液晶超結構中的可調(diào)超材料結構體能夠吸收和反射電磁能量，可以幫助無人艇獲得期望的隱身效果。

（2）艇型優(yōu)化。一種名為納米工程電活化表面的材料有可能實現(xiàn)船殼的變形，在作戰(zhàn)時艇體的形變將改變艇體的空氣動力、水動力和聲傳播（吸收）效率等。

（3）電子設備小型化。分子電子材料技術的應用不僅可以提高設備的可靠性和降低成本，而且可以減輕重量并減少耗電量。設備小型化帶來最大的好處就是可以增加更多的負載，無人艇的多功能性更強、綜合性能更佳[15-18]。

5.3 自主控制技術

鑒于無人平臺特性，自主控制技術一直是非常重要的研究方向。目前較為成功的自動控制系統(tǒng)有以色列銀色馬林魚號、黃貂魚號無人艇搭載的自動舵手系統(tǒng)，這是一套具有高度自適應性和決策能力的智能決策專家系統(tǒng)，能夠根據(jù)所處任務環(huán)境和執(zhí)行任務的種類自主完成無人艇的控制。

（1）高新技術驅(qū)動自主等級不斷提升，環(huán)境適應性更強、支持任務更復雜。

隨著博弈論、智能決策、控制論、機器學習、群智優(yōu)化等先進技術及新方法的不斷涌現(xiàn)，并與無人艇進行有效融合，將逐漸突破高級任務決策、快速路徑規(guī)劃、自主多動態(tài)危險規(guī)避、敏捷運動控制等核心算法，推動無人艇的自主等級不斷提升。

目前美國開發(fā)了一套成熟的海上自主導航系統(tǒng)，主要融合了人工智能、三維數(shù)字成像和傳感器融合技術，顯著提高了無人艇單獨執(zhí)行任務或與其它平臺協(xié)同作業(yè)時的自主能力?？梢灶A見人工智能技術、先進計算機技術和新型信息處理技術的融合應用，將會是未來無人艇自主控制技術發(fā)展的一個趨勢。

（2）面向?qū)崙?zhàn)注重多平臺、跨平臺組網(wǎng)，提高協(xié)同化作戰(zhàn)能力。

考慮到未來戰(zhàn)爭將是海陸空天多維一體作戰(zhàn)的模式，無人艇與其它有人或無人平臺協(xié)同作戰(zhàn)是未來發(fā)展的一個重要趨勢。從技術角度講，如果采用相同的標準和開放式體系架構設計，無人艇就可以同其它有人/無人平臺共享信息、載荷，從而與作戰(zhàn)網(wǎng)絡中的其他平臺無縫連接，使得這些平臺能夠在網(wǎng)絡的支持下集成一個整體，實施多維、一體化作戰(zhàn)。目前，美、以、俄、英和中國均在積極開展相關研究與實踐。

5.4 環(huán)境感知技術

無人艇的環(huán)境感知技術主要包括光視覺、雷達、紅外以及水聲等感知手段。環(huán)境感知技術是實現(xiàn)無人艇自主航行、自主作業(yè)的基礎，也是無人艇具備智能特征的關鍵。

（1）多傳感器信息融合處理，提供實時精確的環(huán)境感知信息。

環(huán)境感知領域的信息和判斷可以作為無人艇控制和規(guī)劃的依據(jù)，環(huán)境感知信息來源也不再局限于單個傳感器的輸入，將相機和雷達、水聲及紅外等其他傳感器信息融合的技術也為無人艇環(huán)境感知技術開辟了新的道路，但當前仍存在許多研究難題，包括克服各個傳感器的缺點，提供實時、準確的環(huán)境感知信息等，毫無疑問多傳感器信息融合是未來無人艇環(huán)境感知的關鍵技術。未來無人艇的環(huán)境感知、決策控制和作業(yè)技術將更加深入融合。

（2）水面圖像的增強復原研究，在復雜惡劣天氣條件下獲取失真度低的環(huán)境信息。

無人艇需要在雨、霧、雪、浪等惡劣天氣下開展工作，這些工作環(huán)境使得水面圖像模糊不清，圖像的質(zhì)量退化，一些關鍵信息存在丟失或損壞。需要建立一種滿足惡劣天氣環(huán)境的水面圖像增強復原機制，根據(jù)外界環(huán)境自適應對圖像進行復原，保留圖像的關鍵信息，并滿足水面圖像目標信息獲取的實時性要求。

（3）傳統(tǒng)感知算法和深度學習感知算法的融合研究。

傳統(tǒng)的感知算法具有理論性強、應用廣和可靠性高的特點，深度學習的感知算法具有魯棒性強、準確度高等特點?？梢匀诤蟼鹘y(tǒng)算法和深度學習算法，即克服傳統(tǒng)算法魯棒性低、準確度低和深度學習算法需要大量數(shù)據(jù)、人工標注等缺點，構建擁有兩種算法優(yōu)勢的感知框架，提高無人艇的環(huán)境感知性能。

6 結束語

無人艇的最大特點是具有獨立自主運行的能力，因此研究如何提高無人艇的智能水平非常重要。近年來，一些研究為提高無人艇的智能水平做出了積極貢獻，包括任務決策、智能控制、非結構環(huán)境感知等，但仍有許多問題需要解決。其次，多學科交叉融合將極大促進無人艇技術的發(fā)展。有人/無人平臺（無人機、無人艇、無人車及無人潛航器等）協(xié)同執(zhí)行任務將是大勢所趨，因此必須高度重視多平臺協(xié)同技術研究和驗證。

隨著無人艇技術日趨完善、運維成本不斷降低，可望在科考、測繪、運輸、勘探、救援等任務場景獲得大量應用。軍用無人艇作為未來海戰(zhàn)場的重要節(jié)點，大型化、智能化、功能及隱身化將是一個發(fā)展趨勢，各種高性能、新型無人艇也將不斷涌現(xiàn)。