無人船艇系統(tǒng)，對外與岸基主控系統(tǒng)、領域基礎設施進行信息交互，對內實施對艇體平臺、任務載荷的控制。無人船艇系統(tǒng)包括各類傳感器、通信、航行控制、岸基控制分系統(tǒng)。
多重感知，智能分析，動態(tài)規(guī)劃決策，精準控制
無人船艇實現(xiàn)自主感知、自主航行，首先要適應海洋環(huán)境特點，遵循相關海事規(guī)則。此外，無人裝備能夠長期在海上執(zhí)行任務，主動力等船載設備要有比較高的可靠性，以及一定的健康診斷、故障自主處理能力；持續(xù)暢通的通信也是無人艇完成任務的基本保障，特別是在遠離岸基的大洋深處，衛(wèi)星通信是必備手段。
這些能力的形成，需要依托傳統(tǒng)的船舶導航、通信、動力、作戰(zhàn)系統(tǒng)，加上智能感知、規(guī)劃決策、自動控制等方面的最新成果，構成一個完整的從觀察到思考，再到執(zhí)行和反饋的完整鏈路。
三大系統(tǒng)，即船體平臺、無人系統(tǒng)、任務載荷。
無人系統(tǒng)，對外與有人系統(tǒng)、周邊環(huán)境進行信息交互，對內實施對艇體平臺、任務載荷的控制。無人系統(tǒng)包括各類傳感器、通信、航行控制、岸基控制分系統(tǒng)。
與自主航行直接相關的航行控制分系統(tǒng)又是無人系統(tǒng)的核心，它分為三個部分：
制導系統(tǒng)（Guidance system）。這個詞借用導彈技術，主要是根據(jù)分配的任務、環(huán)境條件，以及導航信息，為船舶提供穩(wěn)定、連續(xù)、優(yōu)化的航行軌跡。
導航系統(tǒng)（Navigation system）。提供船舶的位置、航向、航速、加速度等實時的信息，感知周邊態(tài)勢。信息源來自艇上的各類傳感器，如導航雷達、陀螺、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、光學系統(tǒng)、聲吶、海流風流測量等等。
控制系統(tǒng)（Control System）。根據(jù)制導系統(tǒng)、導航系統(tǒng)提供的指令信息，對船舶航行實施自動控制，主要通過對主機、舵的控制。如果需要完成相關作戰(zhàn)任務，需要具備對相關任務平臺的遠程控制能力。比如，水聲通訊、水下搜索，水上水下目標打擊等。
全局路徑規(guī)劃：受生物學啟發(fā)產生的進化算法（Evolutionary algorithm），代表著人工智能技術在路徑規(guī)劃中的應用。遺傳算法是迄今使用最為廣泛的路徑搜索方法。由于對計算資源消耗大，當遇到障礙物或者其他變化條件的時候，對應用的實時性有一定影響。啟發(fā)式搜索算法（Heuristic search algorithms）也在不斷演化，改進的A?算法2012年之后應用在電子海圖中搜索最優(yōu)路徑上?，F(xiàn)有的全局路徑算法都比較耗時，通常不太適合實時性較強、環(huán)境動態(tài)變化較大的應用場景。
局部路徑規(guī)劃：視線法（Line of sight）在導彈制導中得到成功應用，對無人艇也同樣有效，其原理是船的航向始終瞄著目標點，以此修正風流海流引起的偏差。勢能法（Potential fields）計算量小，在實時計算上效果較好，它類似于磁鐵，船舶和要到達的目標之間相互吸引，對于障礙物相互排斥，由此來形成局部最短路徑。為確保無人艇航行路線的安全和效率，采用了全局和局部路徑規(guī)劃相結合的方法。部分算法采用復雜架構，比如先用迪杰斯特拉算法計算全局路徑，在此基礎上，局部采用A?算法計算臨近水域航行路線。
路徑實時調整：統(tǒng)計顯示，海上事故傷亡60%是因為碰撞。目前避碰研究主要集中在海面目標，比如船舶、島礁等。對水下障礙物，如暗礁、淺灘等的自主避碰問題研究才剛剛起步，已經有研究院所采用主動聲吶開展測試和算法分析。海上碰撞事故中56%是因為違反國際海上避碰規(guī)則（International Regulations for Preventing Collisions at Sea）。無人艇要走向遠海，必須要深入研究避碰規(guī)則，包括船舶超越、相向航行、航路交叉的規(guī)則要求，在算法上盡可能多考慮各種多樣場景。
導航系統(tǒng)包括慣性導航、GPS、水聲、導航雷達、測深儀、光學設備等。這些設備在無人艇導航定位上都各有優(yōu)劣。通常都是聯(lián)合使用，以提高精度，降低誤差。采用多傳感器數(shù)據(jù)融合的方法有助于導航，是提高效率的最佳方式，因為要快速提升單項傳感器技術比較難，這和現(xiàn)有艦船的組合導航原理是一樣的。
主要傳感器優(yōu)缺點如下。
導航雷達: 是傳統(tǒng)船舶30海里內遠距離探測的主要工具，能夠提供全天候、全域的圖像，具有高分辨率和精確度。缺陷是對快速回轉目標準確度受一定影響，對小型動態(tài)目標探測能力有限。對于無人艇而言，由于雷達高度低，一般距水面2米，對7米小型無人艇的發(fā)現(xiàn)距離一般在3海里左右。如兩艘無人艇以30節(jié)的速度相向而行，從發(fā)現(xiàn)到目標相遇的時間只有3分鐘。如果海況惡劣，浪高大，海雜波影響顯著，探測距離將進一步降低。
激光雷達：激光雷達廣泛應用在無人駕駛汽車測試研究，它在近距離目標探測上比較有效，探測深度和精度高。我們在工信部智能船舶2.0項目《船舶航行態(tài)勢智能感知系統(tǒng)研制》中，采用了包括遠程激光掃描成像雷達（探測距離200米到2海里）、詳查激光雷達（多源光電跟蹤系統(tǒng)，與變焦可見光、紅外成像集成，實現(xiàn)對500米以內微小、暗弱目標觀察）、多普勒測速激光雷達（在靠泊提供高精度的接近速度）的組合方案。激光海上應用的主要問題是受海上環(huán)境、以及艇體運動影響大，特別是海上起霧或雨雪的時候。此外，激光雷達價格較高，車用激光雷達單價2萬美元。
視覺傳感器：視覺傳感器是目前無人汽車最主要的感知手段，也在智能船、無人艇項目中廣泛應用。采用熱成像和可見光全景成像融合技術，生成無人艇前方和周邊障礙物的縱深視圖，將為未來無人艇在各種氣象、海況下的視覺感知，提供解決方案。無人艇由于運動幅值大，海上使用需要重點解決圖像穩(wěn)定、去霧問題。比如，采用穩(wěn)定云臺和圖像穩(wěn)定算法，采用圖像去霧處理算法等。在此基礎上，采用人工智能圖像識別技術，識別和跟蹤目標。
聲吶：聲吶是唯一的無人艇水下目標探測手段，對水下目標有高的分辨率和精確性，存在問題是每次掃描探測范圍有限，且易受水面噪聲影響。聲吶圖像的實時解析處理，也是一個難題。在復雜水底地貌環(huán)境中，依據(jù)聲吶圖像，自動準確地識別出水下目標或是障礙物，并考慮潮汐影響，不但需要復雜的算法，還需要大量的機器學習圖像數(shù)據(jù)。離技術成熟還有很長的路要走。
傳感器解決的是眼睛的問題。練就火眼金睛，不單要充分利用艦船導航已有成果，還要借鑒無人駕駛汽車、無人機等方面的技術突破。
船舶運動具有非線性、大時滯、大慣性的特點，又易受風、浪、流等干擾，其運動控制本質上是復雜非線性、不確定性系統(tǒng)的控制。水面艦船僅依靠螺旋槳和舵進行操控，由轉舵力矩和螺旋槳縱向推力，同時控制船舶水平面位置和航向角3個自由度運動，屬于欠驅動系統(tǒng)。
為利于工程實現(xiàn)，大多數(shù)船舶控制系統(tǒng)采用了理想化的線性數(shù)學模型。實際上，船舶的水動力系數(shù)往往隨環(huán)境和時間而變化，事先不容易獲得精確的數(shù)值。近年來，很多新的魯棒控制理論被運用于船舶運動控制，但綜合考慮風浪流干擾等因素的控制系統(tǒng)，至今沒有比較好的解決方案。特別在高海況下，由于各種擾動的耦合，流體阻尼，測量誤差增大，精確控制的難度較大。無人艇由于排水量小，航速高，高海況下運動幅度遠大于有人艦船，操控難度更大。具體表現(xiàn)在，高于3級海況后，失速明顯，航向角保持困難，航線與預定軌跡產生較大的偏離。所以，需要研究適應不同海況的控制模型，才能實現(xiàn)對無人艇的精準控制。
通信系統(tǒng)的重要性，在海上無人裝備體現(xiàn)得越來越明顯。無人船艇和遠程控制系統(tǒng)之間存在無時不在、緊密的聯(lián)系。通信的中斷，意味著無人艇如斷線風箏一樣，可能從此失聯(lián)。因此，一般出現(xiàn)通信問題的時候，出于安全考慮，首先策略是停機，讓無人艇處于自由漂泊狀態(tài)，等待通信恢復。無人艇還遠遠沒達到自主尋找回家路的階段。某種意義上說，可靠通信的范圍，就是無人艇執(zhí)行各種任務的最大范圍。美國“海獵手”無人艇能夠實現(xiàn)自主跨洋航行，其無所不在的空天、海洋通信網絡，起到了非常關鍵的作用。
挑戰(zhàn)賽中，海上、湖上通信問題頻發(fā)，主要和競賽各艇隊之間強烈的電磁同頻干擾有關。此外，通信受環(huán)境影響大，周邊建筑或山包阻擋，通信波束海面反射和大氣散射等因素，使得實際通信距離比在空曠、干凈的陸上環(huán)境下測試結果要低得多。
傳統(tǒng)船舶通信時，海上無線通信、衛(wèi)星通信和岸基移動通信共同構成海洋通信網絡,實現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)信息傳輸。海上無線電通信網絡的成本較低,但覆蓋范圍有限;海洋衛(wèi)星通信網絡能夠提供全球覆蓋,但價格昂貴且通信速率低;蜂窩網拓展到海洋應用能提供高速率、低價格的通信服務,但覆蓋范圍又非常小?，F(xiàn)階段，無人艇主要采用無線電通信，重點是解決好10海里內5M以上帶寬的可靠通信問題，保障通信具備強的抗干擾性；同時，要考慮無人艇在弱通信條件下，應具備依托船載傳感器和計算機，實現(xiàn)一定時間內安全、自主的航行保障能力。對于中大型無人艇，需要提前研究遠海通信體系對于無人艇的適用性問題。
此外，由于船舶和遠程控制系統(tǒng)之間的緊密通信聯(lián)系，網絡的安全性非常重要。所有的遠程遙控設施和相關船載系統(tǒng)都要考慮網絡安全問題。總的原則是設置網絡安全深度防御機制，通過多層網絡設置，對網絡侵害行為進行阻止、辨識防范，降低網絡安全問題對系統(tǒng)的損壞。
作者簡介：若谷，德國stuttgart大學自動駕駛博士，擅長利用數(shù)學物理模型，來描述生活現(xiàn)象和攻克專業(yè)目標。目前，在廣州天河創(chuàng)業(yè)，主攻自動駕駛輔助系統(tǒng)。工作之余，撰寫《自動駕駛》專欄，跑馬拉松，自駕旅游。著有《青少年信息學奧賽實踐指南》（已出版），正在編寫《自動駕駛---物聯(lián)·感知·控制》。
