欢迎光临找海宝官网!

您当前的位置 : 首 页 > 新闻资讯 > 行业资讯

无人艇存在的技术难点

2021-04-22 10:55:48

摘要:国内无人艇仍处于技术发展的早期,单项关键技术未完全突破,对船艇无人化带来的挑战认识不足,对海洋环境的适应性还缺乏研究。无人艇的发展,需要从系统工程的角度,体系化思考无人装备技术特点,强化系统安全性、稳定性、可靠性顶层设计,并借鉴民用智能船、无人驾驶汽车发展经验,稳妥推进研发工作。

无人船,无人船公司,无人船价格

无人艇是智能化、信息化与传统船舶技术的创新集成。作为能在海上独立执行任务的载体,麻雀虽小、五脏俱全。由于海洋环境的特殊性,无人艇的技术难度不亚于无人机、无人车,这也导致海洋无人装备发展滞后于空天、陆地。近年来,在各类海上、湖上无人艇挑战赛中,暴露出系列问题。比如,2019年10月中国造船工程学会在山东日照组织的“海上争锋”挑战赛,由于无人艇自主能力不足,在通信指挥信道不畅时,多艘船艇故障频现,信号丢失导致航行轨迹异常或失控。在海上风、浪、流、雾影响下,图像识别、环境感知等人工智能算法,难以适配无人艇智能感知要求,海杂波干扰雷达的目标探测,海浪导致光学识别算法失效。

这些问题,归根结底,是我们对船艇无人化带来的挑战认识不足,对海上环境特点对无人装备的影响缺乏研究,对装备运用缺乏经验。本质上,我海上无人装备仍处于早期摸索阶段,单项关键技术尚未完全突破。现阶段,尚未从任务需求、性能要求、系统方案、功能实现的完整流程,从可靠性、安全性的角度,系统研究无人装备发展问题。

从生物进化的角度,无人装备既是有人装备的衍生,更是巨大的变异。它呈现了完全不同的特质。随着人工干预的急剧减少,系统呈现脆弱性、易失控性。任何小的问题都可能迅速演化成灾难。比如,航路通信中断、航线突发高速入侵、设备故障产生的大角度偏航等,如果控制策略考虑不周全,都可能产生撞船或闯入敏感水域等事故。因为我们把人原本可以很容易解决的问题,交给了还不那么聪明的机器。从事故学的角度,任何事故的发生都不是某个单独因素产生的,一个好的系统设计,是能够通过各环节控制,预防事故发生。无人艇作为新物种,其设计需要更多考虑智能性、冗余性、容错性,需要更多的风险防控机制。

一、无人船艇自主化的能力要求

要实现船艇自主航行,需要突破4个方面的关键技术,即:感知,分析,决策,控制。在这些方面,难度不亚于自动驾驶汽车和无人机。

我曾多次随舰出海试验,海上气候变幻莫测,有时漫天迷雾,在舰桥上看不到舰艏;有时狂风恶浪,操舵兵需要不断调整,才能保持航向和姿态。恶劣的海洋环境与平静的陆地有天壤之别。船舶操纵远比汽车驾控复杂,汽车有着可控的轨迹,指哪到哪;而船舶运动具有非线性、大时滞、大惯性的特点,加上海上风流海流的影响,精准操控难度大。特别是船舶低速进出港和靠泊的时候,舵效极低。海军的舰艇长刚操舰的时候,就以能够不依托拖船自主靠泊为豪。船舶操纵是一门需要反复练习的科目,集瞭望、操舵、海图作业、动力控制于一体,有着严格的考核程序。

无人船艇实现自主感知、自主航行,首先要适应海洋环境特点,遵循相关海事规则。此外,无人装备能够长期在海上执行任务,主动力等船载设备要有比较高的可靠性,以及一定的健康诊断、故障自主处理能力;持续畅通的通信也是无人艇完成任务的基本保障,特别是在远离岸基的大洋深处,卫星通信是必备手段。

无人船艇自主航行,应具备4项基本能力:一是能够通过各类传感器完整地感知水面、水下态势;二是对各类感知目标进行分类,分析判断环境威胁;三是根据任务要求,规划优路径和航行计划,并具备根据环境变化实时调整计划的能力;四是精准控制航向航迹,自主或遥控完成规定任务。

这些能力的形成,需要依托传统的船舶导航、通信、动力、作战系统,加上智能感知、规划决策、自动控制等方面的新成果,构成一个完整的从观察到思考,再到执行和反馈的完整链路。

二、以系统工程方法规划无人艇研发工作

系统工程方法,广泛应用于导弹、原子弹、航母等复杂系统的研制管理。它把工程对象看做由很多相互联系、相互制约的部分构成的总体,以总体优为目标,通过需求分析、功能性能确定、方案制定、任务分解、风险评估等工作,从总体到系统确定清晰的界面,分层次推动项目展开。它强调全局一盘棋,系统服从总体。

无人船艇作为高新技术装备,它不是在原有人船艇基础上,简单增加传感器和控制系统,而是要围绕无人艇的任务定位和使用特点,按照系统工程的方法,从顶层筹划研发工作。在目前缺乏无人艇标准规范和研制经验的情况下,更应当突破原有思维模式,大胆探寻科学的管理方式。

系统划分是装备研发的基础,决定了系统架构、组织分工。国内无人艇系统划分比较混乱。常规舰船,通常分为舰总体,以及船体、动力、电力、船舶保障、作战系统,并以此细分二级、三级系统。上级系统对下级系统实施管理,对同级系统是协调关系。无人艇作为特殊的小型船舶,是在传统船舶基础上,强化了无人、自主控制的特性。从系统特性和利于工作的角度,我倾向于分为三大系统,即船体平台、无人系统、任务载荷。这样,既体现了无人艇技术特点,利于合理分工,也便于将与自主航行密切相关的目标感知、导航、通信、决策、控制等功能系统进行统筹,从顶层架构上规划研发工作。

无人艇的无人系统,是指为实现从感知、决策到执行的完整控制系统。相当于一个人的五官、大脑和神经系统,是无人艇核心部分。无人系统,对外与有人系统、周边环境进行信息交互,对内实施对艇体平台、任务载荷的控制。无人系统包括各类传感器、通信、航行控制、岸基控制分系统。

无人船,无人船公司,无人船价格

与自主航行直接相关的航行控制分系统又是无人系统的核心,它分为三个部分:

制导系统(Guidance system)。这个词借用导弹技术,主要是根据分配的任务、环境条件,以及导航信息,为船舶提供稳定、连续、优化的航行轨迹。

导航系统(Navigation system)。提供船舶的位置、航向、航速、加速度等实时的信息,感知周边态势。信息源来自艇上的各类传感器,如导航雷达、陀螺、卫星定位系统、光学系统、声呐、海流风流测量等等。

控制系统(Control System)。根据制导系统、导航系统提供的指令信息,对船舶航行实施自动控制,主要通过对主机、舵的控制。如果需要完成相关作战任务,需要具备对相关任务平台的远程控制能力。比如,水声通讯、水下搜索,水上水下目标打击等。

无人船,无人船公司,无人船价格

三、无人系统的关键技术

无人系统关键技术,首先取决于无人艇任务需求。美海军2007年确定了无人艇发展路线,发展4个级别无人艇。分为大型、中型、小型和微型。小型和微型一般在港口和岛礁等敏感水域执行警戒、扫雷等任务,或者由其他舰船携带,作为母舰执行作战任务的补充。大型、中型无人艇,一般直接从港口部署到指定海域,执行侦察、反潜、反舰等任务。其中小型和微型艇已比较成熟,并多次在实战场景中应用。目前集中力量发展中型艇,即140吨级的“海猎手”无人艇,采用三体船型,有比较好的适航性和经济性,航速27节,续航力达到惊人的1万海里,无补给持续部署时间达3个月。前期已完成连续5400海里长航演示验证,计划2020年采购。从其任务特点和任务海区看,中大型无人艇应该具备远海自主导航、路径规划、自主避碰、远程控制等能力要求,是在远海信息系统保障下,依靠优良的船型、可信的设备、可靠的通信,高度的智能,完成侦察、反潜任务的远洋装备。这一点,和执行警戒巡逻任务的小型无人艇有本质的区别。雷达、惯导、电子海图、组合导航等舰船导航技术,都将是执行远海任务的中大型无人艇基本配置。本文重点讨论中大型无人艇的无人系统。

无人船,无人船公司,无人船价格

(一)制导系统

制导系统主要任务是实施航路规划。直观表述,就是无人艇到指定海域执行任务,我们需要事前根据任务需求,以海图为基础,综合考虑洋流、风流、无人艇续航力和大航速等条件,提前规划出一条优化路径,确定航速、航向,各航路点及到达时间等。航路规划不是固定的,航行过程需随条件变化自动进行调整。规划原理类似于目前谷歌地图、高德地图上,设置起点与终点,寻求时间短或是费用省的道路,只不过要复杂得多,考虑要素要多得多,本质上是个多边界约束条件下的优化问题。其关键技术主要包括:全局路径、区域路径规划技术,以及路径动态调整技术。

全局路径规划:受生物学启发产生的进化算法(Evolutionary algorithm),代表着人工智能技术在路径规划中的应用。遗传算法是迄今使用广泛的路径搜索方法。由于对计算资源消耗大,当遇到障碍物或者其他变化条件的时候,对应用的实时性有一定影响。启发式搜索算法(Heuristic search algorithms)也在不断演化,改进的A算法2012年之后应用在电子海图中搜索优路径上。现有的全局路径算法都比较耗时,通常不太适合实时性较强、环境动态变化较大的应用场景。

局部路径规划:视线法(Line of sight)在导弹制导中得到成功应用,对无人艇也同样有效,其原理是船的航向始终瞄着目标点,以此修正风流海流引起的偏差。势能法(Potential fields)计算量小,在实时计算上效果较好,它类似于磁铁,船舶和要到达的目标之间相互吸引,对于障碍物相互排斥,由此来形成局部短路径。为确保无人艇航行路线的安全和效率,采用了全局和局部路径规划相结合的方法。部分算法采用复杂架构,比如先用迪杰斯特拉算法计算全局路径,在此基础上,局部采用A算法计算临近水域航行路线。

路径实时调整:统计显示,海上事故伤亡60%是因为碰撞。目前避碰研究主要集中在海面目标,比如船舶、岛礁等。对水下障碍物,如暗礁、浅滩等的自主避碰问题研究才刚刚起步,已经有研究院所采用主动声呐开展测试和算法分析。海上碰撞事故中56%是因为违反国际海上避碰规则(International Regulations for Preventing Collisions at Sea)。无人艇要走向远海,必须要深入研究避碰规则,包括船舶超越、相向航行、航路交叉的规则要求,在算法上尽可能多考虑各种多样场景。

     (二)导航系统

导航系统包括惯性导航、GPS、水声、导航雷达、测深仪、光学设备等。这些设备在无人艇导航定位上都各有优劣。通常都是联合使用,以提高精度,降低误差。采用多传感器数据融合的方法有助于导航,是提高效率的方式,因为要快速提升单项传感器技术比较难,这和现有舰船的组合导航原理是一样的。

无人船,无人船公司,无人船价格

主要传感器优缺点如下。

导航雷达: 是传统船舶30海里内远距离探测的主要工具,能够提供全天候、全域的图像,具有高分辨率。缺陷是对快速回转目标准确度受一定影响,对小型动态目标探测能力有限。对于无人艇而言,由于雷达高度低,一般距水面2米,对7米小型无人艇的发现距离一般在3海里左右。如两艘无人艇以30节的速度相向而行,从发现到目标相遇的时间只有3分钟。如果海况恶劣,浪高大,海杂波影响显著,探测距离将进一步降低。

激光雷达:激光雷达广泛应用在无人驾驶汽车测试研究,它在近距离目标探测上比较有效,探测深度和精度高。我们在工信部智能船舶2.0项目《船舶航行态势智能感知系统研制》中,采用了包括远程激光扫描成像雷达(探测距离200米到2海里)、详查激光雷达(多源光电跟踪系统,与变焦可见光、红外成像集成,实现对500米以内微小、暗弱目标观察)、多普勒测速激光雷达(在靠泊提供高精度的接近速度)的组合方案。激光海上应用的主要问题是受海上环境、以及艇体运动影响大,特别是海上起雾或雨雪的时候。此外,激光雷达价格较高,车用激光雷达单价2万美元。

视觉传感器:视觉传感器是目前无人汽车主要的感知手段,也在智能船、无人艇项目中广泛应用。采用热成像和可见光全景成像融合技术,生成无人艇前方和周边障碍物的纵深视图,将为未来无人艇在各种气象、海况下的视觉感知,提供解决方案。无人艇由于运动幅值大,海上使用需要重点解决图像稳定、去雾问题。比如,采用稳定云台和图像稳定算法,采用图像去雾处理算法等。在此基础上,采用人工智能图像识别技术,识别和跟踪目标。

无人船,无人船公司,无人船价格

声呐:声呐是无人艇水下目标探测手段,对水下目标有高的分辨率,存在问题是每次扫描探测范围有限,且易受水面噪声影响。声呐图像的实时解析处理,也是一个难题。在复杂水底地貌环境中,依据声呐图像,自动准确地识别出水下目标或是障碍物,并考虑潮汐影响,不但需要复杂的算法,还需要大量的机器学习图像数据。离技术成熟还有很长的路要走。

传感器解决的是眼睛的问题。练就火眼金睛,不单要充分利用舰船导航已有成果,还要借鉴无人驾驶汽车、无人机等方面的技术突破。

(三)控制系统

船舶运动具有非线性、大时滞、大惯性的特点,又易受风、浪、流等干扰,其运动控制本质上是复杂非线性、不确定性系统的控制。水面舰船仅依靠螺旋桨和舵进行操控,由转舵力矩和螺旋桨纵向推力,同时控制船舶水平面位置和航向角3个自由度运动,属于欠驱动系统。

为利于工程实现,大多数船舶控制系统采用了理想化的线性数学模型。实际上,船舶的水动力系数往往随环境和时间而变化,事先不容易获得的数值。近年来,很多新的鲁棒控制理论被运用于船舶运动控制,但综合考虑风浪流干扰等因素的控制系统,至今没有比较好的解决方案。特别在高海况下,由于各种扰动的耦合,流体阻尼,测量误差增大,控制的难度较大。无人艇由于排水量小,航速高,高海况下运动幅度远大于有人舰船,操控难度更大。具体表现在,高于3级海况后,失速明显,航向角保持困难,航线与预定轨迹产生较大的偏离。所以,需要研究适应不同海况的控制模型,才能实现对无人艇的精准控制。

无人船,无人船公司,无人船价格

(四)通信及网络安全

通信系统的重要性,在海上无人装备体现得越来越明显。无人船艇和远程控制系统之间存在无时不在、紧密的联系。通信的中断,意味着无人艇如断线风筝一样,可能从此失联。因此,一般出现通信问题的时候,出于安全考虑,首先策略是停机,让无人艇处于自由漂泊状态,等待通信恢复。无人艇还远远没达到自主寻找回家路的阶段。某种意义上说,可靠通信的范围,就是无人艇执行各种任务的范围。美国“海猎手”无人艇能够实现自主跨洋航行,其无所不在的空天、海洋通信网络,起到了非常关键的作用。

挑战赛中,海上、湖上通信问题频发,主要和竞赛各艇队之间强烈的电磁同频干扰有关。此外,通信受环境影响大,周边建筑或山包阻挡,通信波束海面反射和大气散射等因素,使得实际通信距离比在空旷、干净的陆上环境下测试结果要低得多。

传统船舶通信时,海上无线通信、卫星通信和岸基移动通信共同构成海洋通信网络,实现语音、数据信息传输。海上无线电通信网络的成本较低,但覆盖范围有限;海洋卫星通信网络能够提供全球覆盖,但价格昂贵且通信速率低;蜂窝网拓展到海洋应用能提供高速率、低价格的通信服务,但覆盖范围又非常小。现阶段,无人艇主要采用无线电通信,重点是解决好10海里内5M以上带宽的可靠通信问题,保障通信具备强的抗干扰性;同时,要考虑无人艇在弱通信条件下,应具备依托船载传感器和计算机,实现一定时间内安全、自主的航行保障能力。对于中大型无人艇,需要提前研究远海通信体系对于无人艇的适用性问题。

无人船,无人船公司,无人船价格

此外,由于船舶和远程控制系统之间的紧密通信联系,网络的安全性非常重要。所有的远程遥控设施和相关船载系统都要考虑网络安全问题。总的原则是设置网络安全深度防御机制,通过多层网络设置,对网络侵害行为进行阻止、辨识防范,降低网络安全问题对系统的损坏。

四、把握无人装备的特点,加强冗余性和容错设计

无人艇设计的本质,或者任何无人装备的设计,都是以确定性的简化数学模型,去描述不确定的、复杂的世界。各种外界干扰、系统设备故障,都可能引起控制系统失去稳定性。无人艇控制系统抗干扰、故障检测和诊断、容错技术要成为无人艇设计的重点。这对于在复杂和危险海域航行的高速无人艇特别重要,如系统微小的功能失效没有得到及时处理,将导致无人艇和周边船只、设施、人员出现灾难性后果。因此,在复杂系统工程研制中,常用的故障模式影响分析,可靠性和安全性设计理念,都要在无人艇研制中应用。比如,如对影响船舶安全的系统,应该设置冗余,如采用双舵机控制,避免单系统失效引起系统瘫痪;比如,对各类传感器数据进行有效融合处理,避免单个传感器问题影响导航系统准确性;比如,加强对无人系统的健康管理,增强机器故障诊断,避免潜在故障影响航行安全。钱学森在中国导弹研发中,面对当时国内电子元器件性能不稳定的状况,采用系统工程的思想进行优化设计。他指出,我们可以用不完全可靠的元件组成高可靠性系统。在无人艇技术尚不成熟的今天,有必要思考借鉴我们在装备发展中总结的有效管理经验。

无人艇的发展方向,不只是看家护院,它的战场在大洋大海。远洋作业的无人艇,可借鉴民用无人船舶的理念。2018年9月,DNV船级社提出以安全性为核心的自主航行船舶设计和入级参考。其基本设计原则包括:一是安全风险相当的原则,即采用自主航行或遥控的船舶,其安全性应不低于常规船舶;二是基于风险方法的原则,即由于自主航行船舶采用的新技术不成熟和复杂性,要对各类风险进行辨识和规避;三是低风险的原则,即对于特殊情况下,船舶或部分系统无法正常操作时,应确定能接受的低风险状态;四是系统工程和集成原则,即总体单位应以船舶安全性为关切,强化顶层设计,并贯彻到各子系统和设备中,要对分系统、设备的自动控制功能进行充分的逐层、逐项验证试验;五是清晰划分人工与机器自动化的边界原则,不管到任何阶段,都需要人与机器的分工与结合,所以系统分解船舶的各项功能,划分人工和机器自动化的边界,是定义总体和系统技术方案的基础。

路漫漫其修远兮。无人艇有广阔的应用前景,智能技术革命,将推进无人艇的加快发展。但无人艇技术进步的每一步,都应该是踏实严谨,遵循科学的规律,循序渐进。


近期浏览: