无人试验船控制平台的设计与测试分析

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1、武汉理工大学硕士学位论文第1章绪论1．1课题研究的背景与意义21世纪以来，三大交通工具——汽车、飞机、船舶的无人化一直是国际上的研究热点，其中，最先开启无人化篇章的当属无人机，特别是以美国为代表无人飞行器技术已经逐渐走向成熟，近年来国际上对无人汽车的研究也已经有了许多重要突破，但在无人水面艇(UnmannedSurfaceVehicle，简称USV)方面，由于研究对象及环境的复杂性，数十年来，取得的成果还难与无人机、无人车和无人潜水机器人媲美。USV作为一种新概念船，可谓是船舶发展的一个新的里程碑。U

2、SV也可称为水面机器人，它是依靠自主方式在水面航行的无人化、智能化的平台，主要用于各种水域环境下执行一些危险以及不适于载人船只执行的任务【1】。国际上对于USV的特点描述【2】主要体现是：(1)高速：静海区(2级海况或以下)航速不小于44Knots，5级高海况且最大有效负载达300Kg时，航速不小于27Knots；(2)多功能：可应用于军用和民用，不受水域限制，可完成巡航执法、运输、救援以及资源勘探、水面环境监测等一些高危险任务，使海洋开发和航运事业更安全、高效；(3)容易使用：通信协议和硬件可集成度

3、高，便于功能扩展，操纵方便，易于维护、保管(尺寸长度不超过7m)；(4)低成本：模块化设计和组装，尽量避免大型部件，维护成本低。国外对于无人船的研究较早，自“9·ll”之后，随着国防安全问题进一步被各国所重视，无人船的研究也被以美国为首的西方国家列为重要发展方向，目前美国、以色列、法国、葡萄牙、日本、加拿大、英国等海洋强国已有多种无人艇开始应用于军事领域12】，并一直处于技术前列，研究比例图如下图卜1所示。武汉理工大学硕士学位论文图卜1研究比例图具有代表性的成果有：美国的“海上猫头鹰”、“斯巴达侦察兵

4、”、“海上斗士”、以色列的“保护者”等【31。最典型的当属正服役于美军“葛底斯堡号巡洋舰”上的“斯巴达侦察兵”USV[41。该无人艇由法国、新加坡、美国联合研制，是一艘刚性船体充气艇，艇长7米，宽3米，高4．5米，排水量2吨。艇上配有GPS、雷达、红外摄像仪以及8台360度旋转防撞摄像机等，这使它具有比较高的巡逻监视和侦察能力。出航最远控制距离为14．4公里，可连续工作8个小时，工作时由设在远处平台上的控制站工作人员遥控控制。船上拥有高可靠性的通信装备，能够提供足够的带宽来传输数据和中继通信。特定任务

5、模块包括监视／侦察、排雷、精确打击、反潜等模块，可根据需求按模块化更替任务模块。该艇从技术上己达到无人自主控制能力，外观如图1-2所示。图卜2“斯巴达侦察兵”USV武汉理工大学硕士学位论文此外以色列研发的“保护者”(Protector)水面高速自主无人艇【5】，除继承“斯巴达侦察兵”主要特点外，还增加了隐身方面研究，新加坡、日本、英国、德国、挪威等国均已开发了本国的无人舰艇，主要用于海上探测与侦察，或做军事上的扫雷实验等f6】。目前在国内方面，无人艇技术多处于概念设计阶段，代表国内最先进的无人船技术的

6、是曾服务于北京奥运会青岛奥帆赛的“天象一号"，该船是国内第一艘无人驾驶海上气象监测船，碳纤维制船体，总长6．5m，主要的功能包括智能驾驶、卫星应用、雷达搜索、图像处理与传输等。它的工作方式有两种，一种是人工遥控方式，另一种为按预定航线自动航行方式，其中在自主航行状态下若途中遇到障碍物则可通过目标搜索识别系统和处理系统进行避让航行【71。尽管国外航运发达国家都在积极地进行相关技术开发，试图在航海自动化方面的设备研制中取得垄断地位，但相比之下，我国在无人驾驶船舶方面的研究还存在很大差距，大部分还处于遥控艇

7、的研制阶段。近些年来，由于海洋气候变化异常，海啸、台风活动频繁，以及海洋面临的能源危机、环境污染严重，渔业、海洋运输业等受到前所未有的挑战，海上现场作业或执行任务的危险也逐渐增多，为保证海事人员的生命安全，无人船舶需求性越来越强，主要突出在：海事巡航执法；海上测量；危险海况下的无人远程救援；能源勘探：环境监测：军事侦察作战等。可以说，在现代社会以及不远的将来，在地球上实现无人驾驶船舶运输所产生的经济意义和社会效益远远大于火星登陆计划和月球基地建设计划。随着国家近年来对船舶海事方面越来越重视，国内各重要

8、研究机构对无人船技术的探索己积累一定经验，研究开发无人艇通用控制平台，对我国的船舶行业来说，己成为一个发展趋势。在最大程度保证研发自主性和低成本的基础上，建设体系化的船舶控制系统，包括岸端基地监控中心和船端控制平台。通过岸端和船端的协调运作，对一定数量无人船舶进行管理，实现全天候海域监管网络化、巡航搜救智能化、多点覆盖机动化，从而有效提升海事任务执行能力和效率，为“航行更安全和海洋更清洁”作出重要贡献。1．2无人船技术研究方式现状分析对于真正意义上的US