馬天宇，楊松林，王濤濤，辛 磊，陳 燚

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

多USV協(xié)同系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展概述

馬天宇，楊松林，王濤濤，辛 磊，陳 燚

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

無人水面艇(Unmanned Surface Vehicle，USV)具有較高的智能化程度，較好的隱身性能，較強的機動能力以及較低的造價，被認為是一種作戰(zhàn)用途廣泛的新概念武器。在無人駕駛運載工具中，USV發(fā)展相對較晚，但已逐漸成為一個研究熱點課題。文中簡述目前國內(nèi)外USV的研究情況；重點介紹多USV協(xié)同系統(tǒng)的現(xiàn)狀；闡述高性能艇型、控制體系、通信技術、避碰、任務規(guī)劃與決策5項關鍵技術；提出未來發(fā)展趨勢；展望多USV協(xié)同系統(tǒng)在海上補給、水上安全保護、完善無人作戰(zhàn)系統(tǒng)、水文氣象信息采集和水面搜救方面的應用前景。

無人水面艇；多USV；協(xié)同系統(tǒng)；無人作戰(zhàn)系統(tǒng)；高性能艇型

0 引 言

無人水面艇也稱水面無人艇及水面機器人，是一種無人操作的水面艦艇，主要用于執(zhí)行危險以及不適于有人船只執(zhí)行的任務。二戰(zhàn)時期，無人水面艇曾被作為火炮和靶船。直到20世紀90年代，關于USV項目的研究才開始大量出現(xiàn)。在眾多無人駕駛運載工具中，無人機(UAV)的發(fā)展應用較為成熟，無人地面車輛(UGA)和無人水下艇(UUV)次之，而無人水面艇(USV)的發(fā)展相對較晚。由于具有較高的智能化程度，較好的隱身性能，較強的機動能力以及較低的造價，USV被認為是一種作戰(zhàn)用途廣泛的新概念武器[1]。2001年，美國海軍提出利用USV，UUV和UAV共同構成其瀕海戰(zhàn)斗艦(LCS)的無人作戰(zhàn)體系，完成情報收集、反潛、反水雷、偵察與探測、精確打擊等作戰(zhàn)任務[2]。然而，面對動態(tài)復雜的環(huán)境、不可預知的潛在危險和多樣化的任務使命，單一USV受限于自身搭載的有限的載荷與系統(tǒng)，顯得勢單力薄。與此同時，由多艘USV聯(lián)合起來構成的協(xié)同系統(tǒng)，具有更強的魯棒性、通信能力、機動性、靈活性、更高的作業(yè)效率和更廣的作業(yè)范圍?？紤]到現(xiàn)代戰(zhàn)爭對于多兵種，多武器，多方位的綜合協(xié)同作戰(zhàn)需要[3]，多USV協(xié)同系統(tǒng)可完善無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的發(fā)展使用。

1 無人水面艇研究現(xiàn)狀

無人水面艇通過搭載不同傳感器或設備模塊，可以完成情報搜集、水上監(jiān)視、無人偵察、反水雷、反潛、輔助通信和導航、干擾敵軍通信網(wǎng)絡、誘殺敵方潛艇、遠程火力攻擊等不同任務。目前世界上許多國家都開展了對無人水面艇技術的研究，其中美國和以色列在USV的研究和應用方面走在了世界前列[4-5]。

1.1 國外現(xiàn)狀

1)美國

2008年，通用動力公司機器人系統(tǒng)部為美國海軍先后交付了2艘“港灣”級反潛戰(zhàn)水面無人艇(ASW USV)，主要應用于近海環(huán)境、執(zhí)行海上防御、通道保護、港口偵察以及保護海軍水面戰(zhàn)斗群等反潛任務。美國達信系統(tǒng)公司也于同年制造了通用無人水面艦艇(CUSV)，用于執(zhí)行情報、監(jiān)視和偵察、拖曳作業(yè)、反水雷、反潛、反水面戰(zhàn)、通信中繼發(fā)射和回收無人機等任務。2011年9月，美國海軍新型的三體無人快速偵察艇“X-2”號在圣迭戈灣下水，主要用于完成海岸監(jiān)視、禁毒、攔截、巡邏等任務。美國國防部承包商于2012年展示了新型無人水面艦艇“食人魚”，該艇具備掃雷、探測和攻擊水下敵方潛艇和水面艦艇功能。

2)以色列與其他國家

以色列的“保護者”USV，主要用于本土防御和反恐作戰(zhàn)，并可完成部隊保護、監(jiān)視偵察等任務。埃爾比特系統(tǒng)公司于2006年公布了自主無人水面艇“銀色馬林魚”，它適合執(zhí)行多種使命，例如情報、監(jiān)視和偵察、兵力保護/反恐、反艦和反水雷、搜索與救援，港口和水道巡邏以及電子戰(zhàn)。航空防務系統(tǒng)公司于2006年獨立開發(fā)的無人水面艇“海星”，主要用于執(zhí)行一系列海軍或海上任務，包括港口設施保護、海岸巡邏、艦船和石油鉆機保護、偵察任務、目標標示、干擾和誘餌、兵力保護和延伸光電磁場等。

此外，其他國家也進行了無人艇開發(fā)和研制[6-7]，如葡萄牙于2006年研制的“德爾芬”雙體無人水面艇；德國于2008年研制的“水貓M8”快速攻擊艇；瑞典于2009年研制的“SAM 3”掃雷水面無人艇；新加坡于2010年研制的“金星”無人艇；法國ECA公司于2010年研制的“黑星”無人水面艇；馬來西亞于2012年研發(fā)的一種用于海上巡邏和環(huán)境監(jiān)測的無人艇；英國自主水面航行器(ASV)公司于2013年研發(fā)的“C-Enduro”系列長航時無人水面艇等。

1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

2006年，在第六屆珠海航展上亮相的“閃電”XG-3高速探測無人水面艇[8]，可在較惡劣條件下進行特定區(qū)域的探測、偵察甚至是小目標攻擊。2008年，曾為北京奧運會青島奧帆賽提供氣象保障服務的無人駕駛海上探測船“天象一號”[4]，是國內(nèi)第1艘用于工程實際的無人水面艇，也是第1艘用無人水面艇進行氣象探測的系統(tǒng)，可實現(xiàn)智能駕駛、雷達搜索、衛(wèi)星應用、圖像處理與傳輸?shù)裙δ堋?010年，臺灣海洋科技研究中心研制出一型無人水面艇“鄭和101”號[9](見圖1)，其主要功能是面向臺灣西部和東南海況環(huán)境復雜多變的近海水域，進行水文水質(zhì)氣象數(shù)據(jù)的調(diào)查、監(jiān)測、收集和分析等工作。2013年，我國自行研制開發(fā)的首艘無人測量艇正式誕生[10](見圖2)，它實現(xiàn)了遙控與自主導航航行、路徑規(guī)劃、路徑跟蹤、水面及水下障礙的自主避障避碰、遠距離自主航行等功能；實現(xiàn)了單波束、多波束聲吶探測，前視多波束聲吶、側掃聲吶探測，多普勒流速流向測量等海洋多要素綜合測量功能。

圖1 “鄭和101”號無人水面艇Fig.1 “ZhengHe101”USV

圖2 我國首艘無人測量艇Fig.2 The first USV for surey of China

此外，哈爾濱工程大學、上海海事大學和江蘇科技大學等[11-13]國內(nèi)高校也研制出無人水面艇模型，并進入了實驗研究階段。

2 多USV協(xié)同系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

美國麻省理工學院的Joseph Curcio和Toby Schneiderr等[14-16]針對自主研發(fā)的4艘低成本水面無人艇SCOUT(Surface Craft for Oceanographic and Undersea Testing)，對基于采樣平臺，自主性軟件(MOOS-IvP軟件架構)及海空通信基礎設施(EVDO網(wǎng)絡、無線網(wǎng)絡、水聲通信和互聯(lián)網(wǎng))系統(tǒng)等方面進行了較多研究，通過試驗測試表明這種無人艇可完成港口監(jiān)控等協(xié)同任務。以歐盟項目“不確定環(huán)境下協(xié)同異構無人系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與控制”(GREX，2006-2009)為背景，葡萄牙的高級技術所-系統(tǒng)與機器人研究所(IST-ISR)對已知任務場景下的自主海洋船協(xié)同運動控制的一般問題開展了大量試驗研究[17-19]，包括動態(tài)環(huán)境中的避碰，時變通信拓撲和損失架構，支持軟件/硬件的多海洋船協(xié)同運動控制算法的效能等問題。Joshua Redding等[20]提出一種無人水面艇的協(xié)同任務規(guī)劃、自主和控制技術(CoMPACT)，開發(fā)了一種基于快速擴展隨機樹(RRT)算法的路徑規(guī)劃算法的仿真圖形用戶界面?？墒鼓K化設計的多異構水面無人艇實現(xiàn)協(xié)同反潛、反水雷和區(qū)域搜索等任務。Ivind Aleksander G. Loe[21]對基于國際海上避碰規(guī)則COLREGS的水面無人艇避碰系統(tǒng)進行了研究，通過仿真和全尺寸試驗，驗證了該避碰系統(tǒng)可以尋求到接近最優(yōu)的路徑，具有良好的魯棒性。Massimo Caccia和Marco Bibuli等[22-24]針對搭載有自主軟件、有效載荷模塊，多波束聲吶、云臺單元和控制軟件的Charlie USV，對無人水面艇的導航、制導、控制，特別是路徑跟蹤問題做了海試研究，并驗證了其可靠性。基于人機界面和地面局域網(wǎng)絡等控制系統(tǒng)，該型無人水面艇協(xié)同作業(yè)可完成反水雷和港口保護等海上安全使命。

J.Almeida等[25]討論了在離散時間內(nèi)保持定期通信聯(lián)網(wǎng)的自主水面船的協(xié)同路徑跟蹤問題。對于受動態(tài)通信網(wǎng)絡拓撲結構約束的協(xié)作船只，基于李雅普諾夫技術、圖論和網(wǎng)絡控制的分散式控制系統(tǒng)，由相互關聯(lián)的路徑跟蹤和協(xié)同策略輸入輸出狀態(tài)反饋表組成。英國貝爾法斯特女王大學[26-28]基于國際海上避碰規(guī)則COLREGS，對無人艇的導航、制導、控制和路徑規(guī)劃等方面進行了較為深入的研究，其中針對英國Springer雙體無人水面艇，設計了包含直線導航點和人工側滑方案的障礙物檢測與避碰策略，提出一種無功路徑規(guī)劃算法，用于反饋給無人艇自動舵，并通過仿真驗證了無人艇面對靜態(tài)或動態(tài)障礙物均生成了可行的軌跡。CheeKuang Tam等[29]提出一種用于計算符合國際海上避碰規(guī)則的導航路徑的路徑規(guī)劃算法。通過一組實驗數(shù)據(jù)模擬了一系列海上交通場景，從算法的不同方面討論了從不同角度輸出的一致性，導航路徑的實用性，計算性能等問題。

從以上文獻可以看出，國外學者對于無人水面艇協(xié)同路徑規(guī)劃、協(xié)同路徑跟蹤和協(xié)同作業(yè)中的避碰進行了較多的仿真與試驗研究。

國內(nèi)學者目前主要側重于對USV艇型的設計，智能控制方法，操縱性，自主導航等方面[30-35]進行研究。對于多USV協(xié)同系統(tǒng)的研究較少。其中，徐博等[36]提出基于微慣性網(wǎng)絡的主從式協(xié)同導航定位方法，對基于多領航者的協(xié)同導航定位和基于單領航者的協(xié)同導航定位2種協(xié)同導航定位方法進行了理論分析。王卓等[37]提出一種基于多智能體技術的水面無人艇協(xié)同仿真系統(tǒng)設計方案，通過開展航線跟蹤和自主航行仿真實驗，驗證了協(xié)同仿真框架及開發(fā)方法的可行性和正確性。

3 多USV協(xié)同系統(tǒng)的關鍵技術

3.1 高性能艇型

一個無人化的多USV協(xié)同編隊，其智能化程度將直接由每個USV的性能決定。毋庸置疑，擁有航速高、耐波性優(yōu)良、運載能力較大、經(jīng)濟性好等[38]諸多優(yōu)點的高性能艇型是組成多USV協(xié)同編隊的首選。從近年來無人水面艇研究進展可以看出，滑行艇、穿浪艇、多體船等艇型是各國的研究熱點。高性能艇將極大地提升多USV協(xié)同編隊的整體性能。

3.2 控制體系

對于一個多USV協(xié)同系統(tǒng)，其核心是控制體系。參考多無人機系統(tǒng)，多個無人水面艇組成的協(xié)同控制體系也可分為集中式，分布式和混合式3種。集中式控制是將1艘綜合性能較高的USV作為母艇，經(jīng)過分析處理后把信息傳遞給其他各子艇，進行任務部署；分布式控制是每艘USV都具有獨立接收命令與分析的能力，可以按各自的意愿決定動作。前者雖然協(xié)調(diào)效率較高，但主控USV產(chǎn)生故障將直接導致整個系統(tǒng)的癱瘓，因而這種控制方式的自主性和魯棒性都比較差；后者由于各USV之間可以進行相互通信，所以有較好的容錯能力與可擴展性，但多艘USV的協(xié)調(diào)效率較低，容易產(chǎn)生局部沖突，全局性較差。因此，將以上2種控制方式結合起來就形成了最理想的混合式控制體系，它兼顧了集中式與分布式的優(yōu)點，敏捷性、靈活性、可靠性、持續(xù)性和魯棒性等較好，能夠很好地滿足多USV協(xié)同作業(yè)的需要。

3.3 通信技術

無線通信可以使各無人水面艇相互了解意圖、目標、動作以及當前的航態(tài)等信息，從而進行協(xié)商，完成數(shù)據(jù)的傳輸，并執(zhí)行相應的命令，協(xié)作完成任務。按通信方式可分為顯式通信和隱式通信[39]。隱式通信是指USV通過外界環(huán)境與自身傳感器獲取信息實現(xiàn)相互之間的協(xié)作，各USV之間沒有直接進行信息交互。隱式通信不存在數(shù)據(jù)的顯式交換，多USV之間不能使用高級協(xié)作策略，降低了完成復雜任務的能力；顯式通信是多USV系統(tǒng)通過特定的介質(zhì)，完成各USV之間信息的轉移和交換。顯式通信雖然可以完成隱式通信無法完成的高級協(xié)作策略，但卻存在網(wǎng)絡延時和局部通信沖突等通信質(zhì)量問題。USV需要將傳感器記錄的視頻信息、位置信息、姿態(tài)信息，通過無線鏈路信道，實現(xiàn)信息的傳輸與共享。然而，有限的通信范圍將直接對通信能力產(chǎn)生影響，這就需要多USV間的信息傳輸具有多種協(xié)議、多條鏈路、多種方式、高帶寬、實時性以及較強的抗干擾能力?？紤]到USV體積較小以及各艇載傳感器分布密度較大，多USV如何對感知的環(huán)境進行融合是協(xié)同通信的難點。

3.4 避碰

多USV協(xié)同編隊至少由3艘無人水面艇組成。在執(zhí)行任務時，任何2艘無人水面艇之間都要保持最小的安全距離，防止產(chǎn)生碰撞，對無人水面艇協(xié)同編隊的整體性造成破壞。這樣必須考慮的一個問題就是避碰[40]。避碰不僅是指避免USV之間或USV與其他船只產(chǎn)生碰撞，而且也包括避免USV和障礙物的碰撞，它又分為基于傳感器信息的靜態(tài)避碰與基于未知環(huán)境的動態(tài)避碰。靜態(tài)避碰，要求在無人水面艇導航系統(tǒng)中增設激光測距儀、雷達、多波束前視聲吶和側視聲吶等設備，從而對水面或水下的障礙物進行監(jiān)測，反饋給USV控制中心。動態(tài)避碰是指在未知的環(huán)境中往往會存在多個甚至是可移動的障礙物，USV在避開一個障礙物以后，必須要迅速做出反應并重新規(guī)劃航跡避開下一個障礙物。由于實時性和連續(xù)性，目前USV的動態(tài)避碰存在一定難度。

3.5 任務規(guī)劃與決策

協(xié)同任務規(guī)劃是實現(xiàn)多USV協(xié)同控制的關鍵技術，它可以劃分為任務分配和路徑規(guī)劃。協(xié)同任務分配，是綜合考慮各無人水面艇自身的性能、任務的重要性，將不同的子任務分配給合適的USV，使得多USV協(xié)同系統(tǒng)完成全部任務時收益最大。協(xié)同任務分配處于智能決策的上層，將決定下層協(xié)同路徑規(guī)劃的策略。任務分配的難點在于如何動態(tài)地組織和分配任務給各USV，以及面對新的任務產(chǎn)生或環(huán)境改變時，如何重新分配任務，合理地調(diào)整路徑規(guī)劃。協(xié)同路徑規(guī)劃，是指在考慮在一定條件的約束下，多艘USV可以最短且最安全的路徑完成一個最優(yōu)的任務目標。類比于多無人機和多無人水下艇，常見的路徑規(guī)劃算法有Voronoi圖形法、人工勢場法、快速擴展隨機樹算法和解決旅行商問題的蟻群、粒子群、魚群等群算法。

4 發(fā)展趨勢與展望

4.1 發(fā)展趨勢

按照美國海軍“無人艇主計劃”[41]提出的無人水面艇“高回報”任務場景設想，越來越多具備不同功能的異構無人水面艇將會誕生，這將不斷推動無人水面艇艇型的演化。從高性能艇型到復合雜交艇型[42]，甚至到水陸、水空兩棲艇型[43]，新型的USV將層出不窮。多USV協(xié)同編隊呈現(xiàn)出多樣性，可以和多UAV、多UUV、多UGA等其他智能無人運載工具進行合作(見圖3)，形成新的監(jiān)視和通信網(wǎng)絡，具備強大的環(huán)境感知能力和多維空間的信息獲取能力。無人水面艇作為通信的中繼端，將連接空中和水下2種介質(zhì)，具備更強的信息采集能力與分析處理能力。因此，無線通信技術不僅是多USV協(xié)同系統(tǒng)集成的技術保障，也是多無人運載工具協(xié)作的關鍵。將多USV間的顯式通信和隱式通信結合起來，是未來一種發(fā)展趨勢。此外，隨著多USV面對任務使命難度不斷增大，如何實現(xiàn)動態(tài)地協(xié)同任務分配與再分配，最大限度地發(fā)揮每個USV的特點，有的放矢，避免協(xié)同編隊內(nèi)部產(chǎn)生沖突與干擾，是未來多USV協(xié)同系統(tǒng)的研究熱點。

圖3 未來巴倫支海多種無人運載工具組成的監(jiān)控體系效果圖[44]Fig.3 The future effect picture of surveillance system of the Barents Sea composed of multiple unmanned vehicles[44]

4.2 應用展望

1)海上補給。當海面上的軍艦急需燃油、潤滑油、武備等方面的補給，USV可以快速地攜帶這些具有危險性的物品完成任務。同樣對于客貨船甚至是海洋平臺，USV也可以對食品、行李、備品等方面的補給。多USV協(xié)同作業(yè)彌補了單一無人水面艇載重量小的缺點，可以高效地實現(xiàn)海上補給。

2)水上安全保護。無人水面艇因其自身的無人化，對水上安全的保護具有一定優(yōu)勢。多USV在近海岸進行協(xié)同巡邏，對潛在的水雷或其他威脅進行排查，對可疑目標進行攔截，將巡邏信息第一時間反饋給港口基站，對港口和航道形成有效的保護。此外，對于停泊的有人艦艇，在其周圍工作的多USV協(xié)同編隊也可以實施有力的保護。

3)完善無人作戰(zhàn)系統(tǒng)。從美國國防部提出的無人作戰(zhàn)系統(tǒng)發(fā)展路線圖[45]可以看出，異構的多USV協(xié)同編隊，連接了海、陸、空無人協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)(見圖4)，形成了多維立體化聯(lián)合武裝力量，未來在信息化戰(zhàn)爭和反恐戰(zhàn)爭中的作用不容小覷。雖然多USV協(xié)同系統(tǒng)起步緩慢，但卻發(fā)展迅速，在未來10-20年多USV協(xié)同系統(tǒng)都將作為無人系統(tǒng)的重點發(fā)展對象。各國加大力度研究無人水面艇相關技術，也是旨在增強軍事實力和無人化智能化作戰(zhàn)程度。

圖4 無人協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)效果圖[46]Fig.4 The effect picture of unmanned cooperating combat system[46]

4)水文氣象信息采集。無人水面艇既可以完成水面風速、風向，流速、流向，水溫、水質(zhì)等水文監(jiān)測，也能對地震、海嘯等隨時可能發(fā)生的自然災害進行探測。顯然，這些時變信息的采集，多USV協(xié)同編隊相比于人為監(jiān)測具有實時性、高效性、持續(xù)性和安全性等優(yōu)點。

5)水面搜救。美麗的沙灘和深藍的海水在吸引大量游客觀光的同時，存在著溺水危險，而環(huán)境的嘈雜往往使得意外溺水的游客不一定得到及時的救助，很可能就此喪失生命。在淺海海域協(xié)同作業(yè)的無人水面艇可以很好地解決這個問題，它們可以在第一時間發(fā)現(xiàn)溺水者實施載人救助，并根據(jù)有效載荷的變化向基站發(fā)起援助信息。

5 結 語

多USV協(xié)同系統(tǒng)在民用和軍用領域均展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景，特別是軍事意義日趨凸顯。面對21世紀復雜多變的海洋環(huán)境，各國已發(fā)現(xiàn)USV在海上的潛力，必將加快其研發(fā)進程，這也將極大地促進各國國防科技現(xiàn)代化和信息化的建設。本文介紹了目前各國無人水面艇的研究現(xiàn)狀，重點描述了多USV協(xié)同系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和關鍵技術，最后設想了未來的發(fā)展趨勢并展望了應用前景?？梢韵胂?，隨著機器人、通信工程、計算機、自動化、控制理論等相關學科交叉、融合范圍的擴大和各項技術的日趨成熟，USV將呈現(xiàn)出更高水平的智能化、效費比、可靠性和魯棒性，多USV協(xié)同系統(tǒng)也將逐步完善。

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An outline of current status and development of the multiple USV cooperation system

MA Tian-yu，YANG Song-lin，WANG Tao-tao，XIN Lei，CHEN Yi

(School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China)

Unmanned Surface Vehicle(USV),featured as a higher degree of intelligence, better stealth performance, stronger mobility and lower cost, is considered as a weapon of new conception for widely warring applications.Among the unmanned vehicles,the development of USV is relatively late,but is gradually becoming a hot research issue.After brief introductin to the current research progress of USV both at home and abroad in this paper.The status of multiple USV cooperation system is presented intensively and five key technologies are described as well,including the type of high performance craft, control system,communication technology,collision avoidance and mission planning and decision.Finally describes a developing trend in the future and the vision of the multiple USV cooperation system in replenishment at sea,protection of security maritime,improving unmanned combat system,collecting hydrological and meteorological information and maritime search and rescue.

unmanned surface vehicle;multiple USV;cooperation system;unmanned combat system;type of high performance craft

2014-03-31

國家自然科學基金資助項目(51379094)；江蘇科技大學研究生科技創(chuàng)新計劃資助項目(12508030020)

馬天宇(1989- )，男，碩士研究生，研究方向為船舶與海洋結構物流體力學性能。

U674

A

1672-7649(2014)06-0007-07

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.06.002