無(wú)人帆船研究進(jìn)展

馬靖豐

摘 要：本文首先對(duì)無(wú)人帆船的研究背景、應(yīng)用領(lǐng)域、各組成部分及其功能進(jìn)行概述。從三個(gè)不同發(fā)展階段對(duì)國(guó)外無(wú)人帆船發(fā)展情況進(jìn)行總結(jié)：將Colin sause與Mark Neal的早期研究，奧地利INNOC團(tuán)隊(duì)的ASV Roboat研究和當(dāng)代挪威和芬蘭等無(wú)人帆船的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行展開(kāi)，列出其他國(guó)際領(lǐng)先團(tuán)隊(duì)的無(wú)人帆船理論及實(shí)踐的發(fā)展。最后對(duì)無(wú)人帆船現(xiàn)狀做出總結(jié)并提出未來(lái)無(wú)人帆船發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：無(wú)人帆船;Microtransat;WRSC;ASV Roboat;空氣動(dòng)力;路徑規(guī)劃與避障

中圖分類(lèi)號(hào)：U679 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）12-0085-02

0 引言

無(wú)人帆船作為不需要人類(lèi)干預(yù)，利用風(fēng)能完全自主航行的智能帆船可以完成：海洋表面數(shù)據(jù)采集、資源開(kāi)發(fā)、災(zāi)難預(yù)警、環(huán)境保護(hù)、節(jié)約運(yùn)輸成本、監(jiān)視違法行為、進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域、減少人工駕駛、指導(dǎo)比賽訓(xùn)練等任務(wù)，在上述領(lǐng)域的獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)使其成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[1]。循跡航行、長(zhǎng)短途路徑規(guī)劃、避障是安全有效完成任務(wù)的核心內(nèi)容和最終目的;對(duì)帆船空氣動(dòng)力學(xué)與水動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析，同時(shí)考慮附加阻力與波浪的影響求解出速度預(yù)測(cè)程序，使帆船沿各個(gè)航向所能達(dá)到的速度最大化，是完成無(wú)人帆船核心內(nèi)容的基礎(chǔ)。精密高效的的傳感器系統(tǒng)能及時(shí)提供風(fēng)速風(fēng)向、船舶姿態(tài)、帆角位置等多變的信息，是完成帆船最佳操縱和路徑規(guī)劃的前提條件;高精度能夠?qū)崟r(shí)顯示的衛(wèi)星定位系統(tǒng)和可靠的通訊系統(tǒng)是判斷路徑規(guī)劃情況和掌握無(wú)人帆船實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的保障。一艘搭載有效執(zhí)行機(jī)構(gòu)、獲能儲(chǔ)能和軟硬件設(shè)備，兼顧速度和穩(wěn)定性的無(wú)人帆船是進(jìn)行一切科學(xué)研究的載體。自20世紀(jì)70年代起，各國(guó)對(duì)無(wú)人帆船開(kāi)展研究，如今國(guó)際領(lǐng)先的無(wú)人帆船已經(jīng)能夠執(zhí)行海洋數(shù)據(jù)采集等任務(wù)并投入商業(yè)化生產(chǎn)。

1 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

早在無(wú)人帆船的想法出現(xiàn)之前就出現(xiàn)了利用風(fēng)向標(biāo)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)舵轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械式自動(dòng)舵。經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，電控式自動(dòng)舵系統(tǒng)出現(xiàn)并隨著PID控制的出現(xiàn)更加成熟，被應(yīng)用于帆船執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。風(fēng)向傳感器、陀螺儀和GPS定位系統(tǒng)的配備，為無(wú)人帆船執(zhí)行裝置提供了有效指令，使其能夠不依靠人類(lèi)干預(yù)完全自主航行[2]。

1968年，美國(guó)無(wú)線電公司就進(jìn)行了對(duì)帶有風(fēng)帆的無(wú)人海上平臺(tái)SKAMP（Station Keeping Autonomous Mobile Platform）的研究，相關(guān)研究成果一直沒(méi)有公開(kāi)，尚未知能否完全依靠風(fēng)帆自主航行。1997年斯坦福大學(xué)Gabriel Elkaim 公開(kāi)發(fā)表了一個(gè)帶GPS導(dǎo)航的雙體翼帆無(wú)人帆船Atlantis的研究成果[3]，隨后美國(guó)Haibor Wing Technologies公司研制了一艘雙體翼無(wú)人帆船，雙體船雖然航行更加平穩(wěn)但在橫傾狀態(tài)沒(méi)有回復(fù)力矩，因此在復(fù)雜海況影響下傾覆無(wú)法回正是其最大缺點(diǎn)。21世紀(jì)初英國(guó)Aberystwyth University的Mark Neal與法國(guó)ISAE（Institut Supérieur de l'Aéronautique et de l'Espace）的Yves Briere組織并發(fā)起了跨大西洋Microtansat無(wú)人帆船比賽，無(wú)人帆船研究開(kāi)始得到廣泛關(guān)注。

1.1 Colin sause與Mark Neal早期研究

在2010年第一次跨大西洋Microtransat競(jìng)賽中英國(guó)Aberystwyth University帶來(lái)一艘唯一成功參賽的無(wú)人帆船Pinta，在比賽中花費(fèi)49小時(shí)完成完全無(wú)人航行87公里。為了完善其風(fēng)帆和船體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，測(cè)試船載設(shè)備基本性能，完成預(yù)先設(shè)定的航線，2004年至2008年Colin sause與Mark Neal前后參與并制造了五艘0.5m至3.5m的無(wú)人帆船，測(cè)試并提高了不同風(fēng)況下與轉(zhuǎn)向動(dòng)作時(shí)船體的穩(wěn)定性和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可靠性[4];改進(jìn)了傳感器系統(tǒng)，處理器控制系統(tǒng)，航行算法系統(tǒng)，通信系統(tǒng)，遠(yuǎn)程操縱系統(tǒng)，功率預(yù)算與電源智能管理系統(tǒng)等影響船體操縱的各系統(tǒng)的基本性能，是早期無(wú)人帆船公開(kāi)探究過(guò)程的代表。

1.2 奧地利INNOC科研團(tuán)隊(duì)ASV Roboat號(hào)

奧地利科研團(tuán)隊(duì)INNOC（Austrian Society for Innovative Computer Sciences）自2006年制造的ASV Roboat較具有權(quán)威性和代表性，曾在Microtransat2007和2008，2009，2010的WRSC競(jìng)賽中蟬聯(lián)冠軍。在2012年的波羅地海試中，ASV Roboat由德國(guó)出發(fā)途徑丹麥向南花費(fèi)27小時(shí)完成131.5公里（71海里）的無(wú)人航行[5]，并用水聽(tīng)器記錄了鯨魚(yú)的聲音信號(hào)，是無(wú)人帆船成功用于科研項(xiàng)目的早期嘗試。該船主要包含執(zhí)行裝置、傳感器、通訊設(shè)備、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)、能量供應(yīng)等模塊，和平衡舵、模糊控制、三級(jí)通訊系統(tǒng)、多層控制系統(tǒng)、路徑規(guī)劃與避障等關(guān)鍵技術(shù)。

ASV Roboat無(wú)人帆船以用于青少年教學(xué)的Laerling船型為基礎(chǔ)改裝，60公斤的龍骨保證船體橫傾角度不會(huì)超過(guò)安全值。船長(zhǎng)3.75m，船體總重300kg，在不影響航行的情況下可額外負(fù)載50kg。前帆和主帆面積4.5平方米。配備的太陽(yáng)能電池板，在完全日照條件下提供285W功率，在歐洲當(dāng)?shù)貧夂驐l件下計(jì)算一年中平均輸出功率達(dá)到30W。帆舵操控方式得到了極大優(yōu)化，最初用線性驅(qū)動(dòng)器電動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn)舵控制，直至2009年為了降低功耗使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，將舵葉的旋轉(zhuǎn)軸靠近舵的中間位置專(zhuān)門(mén)研發(fā)了平衡舵系統(tǒng)[6]。前帆帆索和弧形滑軌的自換向設(shè)計(jì)與主帆的帆索受力點(diǎn)外延的設(shè)計(jì)保證了雙帆配合和能量損耗最小。此外還配有航行燈、霧笛和排水泵等輔助執(zhí)行裝置。

1.3 最近研究與進(jìn)展

無(wú)人帆船競(jìng)賽Microtransat、WRSC（World Robotic Sailing Championship）和SailBot的廣泛開(kāi)展使這項(xiàng)技術(shù)更加成熟。在最近的2018年WRSC競(jìng)賽中，芬蘭的land University of Applied Sciences研發(fā)的船長(zhǎng)2.4m重300kg的無(wú)人帆船配備了尾翼操縱的翼帆[8]，通過(guò)使理論計(jì)算和數(shù)值仿真得到的翼帆空氣動(dòng)力學(xué)中心與加工制造的翼帆質(zhì)量中心重合，翼帆尾端裝有用來(lái)控制攻角的尾翼執(zhí)行裝置，減少了正常轉(zhuǎn)帆執(zhí)行裝置2/3的能量消耗。這種設(shè)計(jì)最早被用在Sailrone公司制造的無(wú)人帆船上，很大程度上解決了能量負(fù)平衡的問(wèn)題并提高了續(xù)航能力。

2018年Microtransat競(jìng)賽中挪威的SailBuoy團(tuán)隊(duì)的SB Met見(jiàn)圖1，經(jīng)過(guò)79天12小時(shí)完成了5354km的航程，是所有參賽隊(duì)伍中正確航行距離最遠(yuǎn)并首次完成橫跨大西洋的無(wú)人帆船，船長(zhǎng)2m，重60kg，僅采用了舵執(zhí)行裝置。配備40W峰值功率的太陽(yáng)能板和400Wh的鋰電池，GPS和各種海洋數(shù)據(jù)采集傳感器。采用銥星雙向傳輸數(shù)據(jù)完成通訊。該船適應(yīng)能力很強(qiáng)，不僅能在2-20m/s的風(fēng)速下航行，低電量時(shí)各傳感器保持在低功率狀態(tài)直到到達(dá)指定區(qū)域并完成充電是該船最顯著的特征，低能量消耗確保船體能夠在太陽(yáng)能受限的高緯度挪威附近海域航行數(shù)個(gè)月，航線信息見(jiàn)圖2。自從2009年以來(lái)已經(jīng)多次完成導(dǎo)航、溫度、鹽度、氧濃度、水質(zhì)、波浪、冰面邊緣、聲音信號(hào)等海洋表面數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

除此之外，美國(guó)海軍學(xué)院USNA的Aboat Time號(hào)和Trawler Bait號(hào)無(wú)人帆船在船尾布置大尺寸機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向傳感器減少了船體橫搖對(duì)相對(duì)風(fēng)向的測(cè)量帶來(lái)的影響;法國(guó)高等科技學(xué)院ENSTA Bretagne 團(tuán)隊(duì)的BRAVE號(hào)擁有良好的操縱性和控制策略，以優(yōu)異成績(jī)完成2018年WRSC比賽Open級(jí)別的項(xiàng)目。來(lái)自中國(guó)首次參賽的浙江大學(xué)的ZMART和上海交通大學(xué)的SJTU也取得了不錯(cuò)的成績(jī)。

2 研究現(xiàn)狀總結(jié)與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

從當(dāng)前無(wú)人帆船發(fā)展來(lái)看，隨著碳纖維材料的引入船體將更加堅(jiān)固輕便。翼帆的選用更容易模擬計(jì)算、節(jié)能控制和抵抗復(fù)雜的海上環(huán)境。執(zhí)行裝置的設(shè)計(jì)不僅要求穩(wěn)定可靠，更要大幅減少能源消耗。傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)能夠有效避開(kāi)橫搖和磁場(chǎng)等干擾，更準(zhǔn)確及時(shí)地傳送給主控裝置。多層通訊系統(tǒng)保證人、機(jī)和衛(wèi)星實(shí)時(shí)穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)。在能源采集與分配管理系統(tǒng)，循跡、路徑規(guī)劃與避障的算法中將引入人工智能，通過(guò)學(xué)習(xí)海洋氣候數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)航線進(jìn)行規(guī)劃，對(duì)執(zhí)行裝置和傳感器的使用頻率進(jìn)行優(yōu)化，能夠在高緯度、弱光照、惡劣風(fēng)浪流和天氣情況下合理采集并分配能源順利完成任務(wù)。當(dāng)突發(fā)情況導(dǎo)致無(wú)人帆船失去控制時(shí)能夠立刻與岸上基站保持聯(lián)系、傳輸位置并保證重要信息不泄漏。最后無(wú)人帆船的發(fā)展一定會(huì)伴隨海洋航行安全、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和保障各國(guó)合法權(quán)益的法律，因此相關(guān)研究的路還很長(zhǎng)。

參考文獻(xiàn)

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[8] land University of Applied Sciences.Official Website[EB/OL].https：//sailingrobots.ax.