海洋環(huán)境監(jiān)測無人艇系統(tǒng)可行性分析報告

1 2 3海洋環(huán)境監(jiān)測無人艇系統(tǒng)（簡稱無人艇，UnmannedSurfaceVessel，USV）具有高航速、大航程、淺吃水、多功能、機動性強、搭載方便、自主海底地形/地貌探測、資源勘探、氣象預(yù)報、應(yīng)對化學(xué)或核輻射污染突發(fā)事件等任務(wù)，因此，USV在民用和軍事領(lǐng)域具有極其廣泛的應(yīng)用前景美國、法國、英國等發(fā)達國家均在大力開發(fā)該類型海洋探測系統(tǒng)，并已有大航程、自主型移動海洋探測系統(tǒng)具有重要的工程價值。該系統(tǒng)可為海底地形地貌、海洋資源、海洋環(huán)境數(shù)據(jù)獲取提供技術(shù)手段，并與自主水下機目前，國外研制了多型無人艇并成功進行了工程應(yīng)用，法國、英國和新加坡等國的幾款無人艇甚至實現(xiàn)了產(chǎn)品化。比較其它移動式觀測平臺，無人c淺吃水：平臺吃水淺，尤其適合近岸、淺水、航道、港灣等環(huán)境復(fù)4d快速監(jiān)測能力：高航速、高機動性，尤其適合核輻射、生物、化學(xué)e智能化與靈活性：可采用遙控、半自主、全自主操控方式，使用靈中繼站；作為空中-海面-水中-海底的通訊節(jié)點，組成異h多功能：環(huán)境監(jiān)測、大氣探測、氣象預(yù)報，可在淺海替代浮標(biāo)（浮d海洋石油或工程公司——海上重大設(shè)備的監(jiān)測、施工支援、資源勘淺吃水、小體積、易批量生產(chǎn)、布置方便等突出優(yōu)勢，因此無人艇非常適5無人艇的優(yōu)點還在于可搭載多種豐富的傳感器，能長期、隱蔽、自主地在境的立體、持續(xù)感知能力。在未來的海戰(zhàn)中，無人艇可以承擔(dān)以下的作戰(zhàn)將無人艇搭載于現(xiàn)有的水面艦船等武器裝備上，將提高其整體作戰(zhàn)能力。它將在遠程預(yù)警、長期海域監(jiān)視、反潛戰(zhàn)、海洋組網(wǎng)觀測、延伸探測范圍、隱蔽偵查、在危險海域進行水雷探測、執(zhí)行電子戰(zhàn)誘騙或干擾敵方綜上分析可知，研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)的無人艇監(jiān)測系統(tǒng)，既有重要本項目立足團隊前期在海洋環(huán)境監(jiān)測無人艇系統(tǒng)總體設(shè)計與系統(tǒng)集成技術(shù)及復(fù)雜海洋環(huán)境下自主決策與控制技術(shù)等領(lǐng)域研究所取得成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國目前海洋環(huán)境監(jiān)測的實際需求，進行面向工程應(yīng)用的海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)和系統(tǒng)試驗驗證技術(shù)研究，研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的海洋環(huán)境監(jiān)測無人艇系統(tǒng)，并通過海上試驗驗證，為我國海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋資海洋蘊藏著非常豐富的生物、礦物資源和能源，是人類賴以生存的第同時，近年來海洋環(huán)境保護、全球氣候變暖、海洋安全等問題也越來越受到人們的高度重視。我國是陸海兼?zhèn)涞拇髧?，海洋是我國實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展6可分為傳感器技術(shù)、觀測平臺技術(shù)和通訊技術(shù)，它是所有海洋活動，包括海洋科學(xué)研究、經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境保護、資源開發(fā)、國防建設(shè)的基礎(chǔ)。通過①觀測時空尺度跨度大，例如從厘米級的湍流觀測，到上百千米的中小尺度渦旋，甚至幾千千米洋流觀測；②長期連續(xù)性，從變化周期為幾個月的動力學(xué)系統(tǒng)的觀測，到需要幾個月甚至幾年的海洋溫度變化觀測，板塊運動的觀測；③同步性，例如海氣相互作用的觀測；④越是極端惡劣情況越需要觀測，其數(shù)據(jù)的價值越高，例如風(fēng)暴潮觀測。這就要求解決觀測平臺的長期可靠性、低功耗、小型化、抗惡劣環(huán)境等技術(shù)問題，其中移動式海剖面漂流浮標(biāo)等能實現(xiàn)自動或隨動的水平掃描，垂直掃描或者任意形狀掃7力船器月月8動天無大器隨著資源、能源開發(fā)利用進程的逐步深入，人們對全球氣域響應(yīng)的廣泛重視，以及工業(yè)技術(shù)和海洋科學(xué)的發(fā)展，海洋觀測正在發(fā)生水下、海床一體化對海洋環(huán)境要素進行同步、立體監(jiān)測；②監(jiān)測平臺多樣化，從岸基、海床基等固定基向海底、水下、水面、星載、機載等運動基綜合性的傳感器網(wǎng)，包括建立區(qū)域性的海洋觀測系統(tǒng)、海底觀測系統(tǒng)、全9我國面臨著多元復(fù)雜的安全威脅和挑戰(zhàn)，特別是海洋安全問題尤為突出。我國具有300萬平方公里的管轄海域，其中52%與鄰國存在爭議。近年來，日本、越南、菲律賓、韓國等周邊國家，紛紛采取先行占領(lǐng)、先行開發(fā)等非法手段，加緊掠奪我國的海洋資源，并對我國的主權(quán)完整和海洋安轄，維護邊海防安全的任務(wù)復(fù)雜繁重。以上問題的有效解決，要求我國具因素的影響，使其具備相當(dāng)大的敏感性和危險性。比如對特殊任務(wù)的首末區(qū)等危險區(qū)域內(nèi)的敏感目標(biāo)實施實時監(jiān)測、記錄；對于敏感海區(qū)的特定目體積小、易批量生產(chǎn)、攜載方便等突出優(yōu)勢，因此無人艇非常適合作為一種通用化、無人化、智能化、信息化、經(jīng)濟性的海洋裝備，用以執(zhí)行上述無人艇作為一個無人海洋運載平臺，可以在海洋中承擔(dān)長時間、大范圍、低成本的海洋科研與工程任務(wù)，因此它在民用、軍事領(lǐng)域皆具有廣泛的應(yīng)用前景。無人艇是一個龐大的家族，它的使用領(lǐng)域非常廣泛，在民用海圖繪制、通信中繼、資源勘探與開采、污染調(diào)查/化學(xué)檢測、細菌/核輻射監(jiān)測等用途；而在軍事領(lǐng)域包含：反潛戰(zhàn)、反水雷、反恐、電子戰(zhàn)、瀕世界各海洋強國投入了大量的人力和物力，機器人技術(shù)集團的“Charlie”號USV。），吃水很小，顯著特點是配備了已獲得專利的旋轉(zhuǎn)艇艏臂——可搭載用于淺水/極淺水測量、探測和目標(biāo)分類的多種水聲設(shè)備?！癐nspectorMk2”的高持久力、高可靠性和運行效率、增強的艇員安全性。該艇采用鋁合金船）；自主、遙控或手動控制模式；可在四級海況下工作，并獲得了BV船級社認(rèn)所示）。“C-CAT4”是一種多用途工作級USV，它具有輕量化、易于布置和高機動性等特點，該艇可用于水質(zhì)采樣、海洋環(huán)境評估、瀕海和沿岸測），ASView海圖的控制系統(tǒng)，具備一定自主航行能力美國VirginiaBased公司開發(fā)了完全依賴于混合能源推進的自主式置了剛性帆板，該帆板可以將風(fēng)能直接轉(zhuǎn)化為推進動力；同時，帆板上還自主運行，還能為傳感器、通信系統(tǒng)等提供持續(xù)的電力有幾乎無限的自持力，缺點是該艇航速較低。該USV非常適應(yīng)于執(zhí)行情報/監(jiān)視與偵查、海洋觀測等數(shù)據(jù)搜集任務(wù)。艇上還配備了蓄電池，即使在陰圖6美國VirginiaBased公司的混合能源推進USV2005年，在意大利海軍資助下，意大利機“Charlie”采用螺旋槳推進，并配備了基于舵的操縱系統(tǒng)，兩個固聯(lián)舵機型陀螺儀，艇載單板計算機，操作系統(tǒng)為GNU/Linux，并利用C++語言開發(fā)美國、以色列、英國、法國、德國和日本等西方軍事強國，已將USV作為重要軍事項目進行研究和開發(fā)，其中最具代表性的是美國“Spartan”2007年，美國海軍發(fā)布了第一個《無人艇總體規(guī)劃圖》，作戰(zhàn)體系中，明確提出利用USV與AUV、UAV共同構(gòu)成海軍無人作戰(zhàn)裝備體系，完成諸如反潛、反水雷、偵察與探測等特種美國作為目前世界上唯一的超級大國，其USV的研制自由行動”和“伊拉克自由行動”等實戰(zhàn)中，該中心還研制了“SSCSan一艘由標(biāo)準(zhǔn)組件構(gòu)成并可重配置、多功能的半自主USV?！癝p柴油發(fā)動機和噴水推進器，最高航速40kn，最大有效載荷1000kg?！癙rotector”主要用于執(zhí)行海上兵雷戰(zhàn)、電子戰(zhàn)、精確打擊以及反恐等任務(wù)，旨在最終替代海軍現(xiàn)役的快速攻擊艇?！癙rotector”既可自行航行，也能遙控操作，遙控操作時由岸基或?；p控制臺操縱，一個控制臺是航向控制臺，負(fù)責(zé)控制艇的航向；另2006年，以色列埃爾比特系統(tǒng)公司公布了其最新開發(fā)的可（a）“Spartan”號USV（海事大學(xué)等，已研制出多型專用遙控靶艇、無人艇。雖取得了一些研究成）；部隊，可通過遠距離搖控指揮，實現(xiàn)對靶船航速、航向、燈光信號識別等間，作為氣象應(yīng)急裝備為奧帆賽提供了氣象保障服務(wù)。實驗表明該艇的風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、濕度、水溫等測量值均與浮標(biāo)測量值相近，而且它還能完成浮標(biāo)無法做到的能見度的測量，并且還提供浪高、海水鹽度等水文數(shù)了適應(yīng)內(nèi)陸江河、海洋等不同水域的工作環(huán)境，并防水、防鹽霧腐蝕；能夠在風(fēng)浪中精準(zhǔn)測量、順利回傳數(shù)據(jù)；基于無線遙控操作，并能按照既定防科技大學(xué)、江蘇科技大學(xué)等優(yōu)勢單位，系統(tǒng)深入地開展了USV技術(shù)研究，主決策與運動控制、海洋環(huán)境感知、系統(tǒng)仿真與外場試驗等一系列關(guān)鍵技無線通信、北斗等多種設(shè)備，具備了無人自主航行、自主危險規(guī)避、海面目標(biāo)探測能力。2012年，在山東**海域的大量海洋試驗中，“Xianglong”(a)海洋試驗中的“Xianglong”號智能USV在引進部分關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，重點研究海洋環(huán)境監(jiān)測無人艇系統(tǒng)的總體設(shè)計與系統(tǒng)集成技術(shù)、復(fù)雜海洋環(huán)境下自主決策與控制技術(shù)、面向工程應(yīng)用的海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)、系統(tǒng)試驗驗證技術(shù)，研制一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的自主無人艇監(jiān)測系統(tǒng)，并通過水文氣象參數(shù)測量的海上試驗驗證，本項目研究以高性能船舶、智能控制、導(dǎo)航、通信、海洋探測、計算機、信息等相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展為依托，開展工程應(yīng)用研究，突破相應(yīng)的在國家具體的應(yīng)用背景下，將軍用技術(shù)轉(zhuǎn)化為民用產(chǎn)品。并在對比國外產(chǎn)品性價比的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)經(jīng)濟性、可靠性、自主化、實用化和工程應(yīng)用的目標(biāo)，完成總體規(guī)劃、用材和加工渠道選擇等工作，從總體上提高我國在智能無人艇技術(shù)這一多學(xué)科交叉領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)水平和裝備的突破相關(guān)技術(shù)瓶頸，從一定程度上提升海洋工程的競爭力。本項目的主要針對無人艇監(jiān)測系統(tǒng)在執(zhí)行海洋監(jiān)測任務(wù)時不同類型探測設(shè)備對系統(tǒng)的特殊需求，工程應(yīng)用對系統(tǒng)可靠性、實用化的要求，以及指南中無人艇監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)。將計算流體力學(xué)方法和水池試驗相結(jié)合，開展載體大續(xù)航力對推進效率、燃油經(jīng)濟性、可靠性等需求，探討基于復(fù)合動力的推進系統(tǒng)設(shè)計方法，提高推進效率和續(xù)航力。從而解決無人艇監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計問題，為實現(xiàn)無人艇監(jiān)測系統(tǒng)的安全航行和海洋監(jiān)測任務(wù)奠定基b基于模塊化的系統(tǒng)集成針對無人艇監(jiān)測系統(tǒng)對多樣化、復(fù)雜化作業(yè)任務(wù)的需求，綜合考慮多類型設(shè)備搭載、空間布置、電氣接口、擴展性等問題。分別從硬件系統(tǒng)集成和軟件系統(tǒng)集成角度，基于模塊化設(shè)計方法，研究模塊間的合理布局與劃分，并確定各任務(wù)模塊間的信息交互方法，解決無人艇監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)c多樣化監(jiān)測載荷與無人艇監(jiān)測系統(tǒng)的針對聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等不同類型海洋監(jiān)測載荷的搭載與海上作業(yè)對主作業(yè)、遙控作業(yè)等）。擬研究多樣化、多工作模式監(jiān)測載荷與無人艇監(jiān)測系統(tǒng)的適配性問題，保證無人艇監(jiān)測系統(tǒng)在復(fù)雜海洋環(huán)境中高效、可靠針對實用化、可靠性、人性化需求，基于用戶為中心的設(shè)計思想，并結(jié)合人機工程方法，開發(fā)人機界面友好、操作方便的一體化、高可靠集成監(jiān)控系統(tǒng)軟件，使其具備虛擬駕控、無線遙控、任務(wù)控制、遠程監(jiān)控、調(diào)針對無人艇工作環(huán)境復(fù)雜、高速航行、運動特性、復(fù)雜約束條件等特點，以及其廣域、可靠、安全、自主地執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的需求。深入研究無人艇監(jiān)測系統(tǒng)的自主決策和危險規(guī)避、自適應(yīng)運動控制、動態(tài)目標(biāo)檢測等問題，最終解決其在復(fù)雜海洋環(huán)境中長期、安全、自主航行問題，并實現(xiàn)針對無人艇面臨復(fù)雜工作環(huán)境以及高速航行的特點，面向多樣化作業(yè)任務(wù)和多層次自主性需求，設(shè)計一種無人艇自主決策系統(tǒng)；研究適于高速航行無人艇規(guī)避各種危險的有效策略，為實現(xiàn)無人艇自主航行與危險規(guī)避針對無人艇在復(fù)雜海洋環(huán)境中高速穩(wěn)定航行的需求，考慮無人艇控制系統(tǒng)存在的欠驅(qū)動性、非線性、外界干擾大和多固有約束條件等特性，研針對無人艇所處的復(fù)雜海洋環(huán)境，基于航海雷達，探討海上動態(tài)實時檢測與跟蹤問題。深入分析海面上多目標(biāo)的復(fù)雜性、動態(tài)性、不確定性等特性，研究適于無人艇的動態(tài)目標(biāo)檢測與跟蹤方法，確保無人艇能在海面針對聲學(xué)設(shè)備的搭載和復(fù)雜海洋環(huán)境下的安全作業(yè)問題，通過對探測控制機構(gòu)及其控制系統(tǒng)；同時，分析該裝置與艇體之間的流場干擾效應(yīng)，對裝置進行優(yōu)化設(shè)計以減小阻力。并通過水池試驗和海上試驗，完善系統(tǒng)污染檢測儀、生態(tài)/化學(xué)或核輻射監(jiān)測儀等不同探測利用仿真試驗、水池試驗及外場試驗手段，對整個系統(tǒng)進行檢驗和考仿真試驗主要完成無人艇監(jiān)測系統(tǒng)的運動仿真、傳感器仿真、海洋環(huán)境仿真、作業(yè)仿真和視景仿真等功能，構(gòu)建三維視景集成仿真系統(tǒng)，通過半實物仿真，對各任務(wù)模塊進行可靠性考核。水池試驗主要是對無人艇監(jiān)測系統(tǒng)進行水動力試驗、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和單項測試。湖泊試驗主要是對無人艇監(jiān)測制定優(yōu)化方案，提高系統(tǒng)可靠性。海洋試驗作為最終的考核試驗，完成多波束測深、水文氣象參數(shù)測量等試驗，并依據(jù)項目的技術(shù)考核指標(biāo)，完成4初步研究方案、關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑總體設(shè)計與系統(tǒng)集成技術(shù)，解決工程化、實用化、多用途搭載問題，以及探測任務(wù)模塊與系統(tǒng)適配性問題；通過研究自主決策與控制技術(shù)，解決其在復(fù)雜海洋環(huán)境下的自主航行、動態(tài)目標(biāo)檢測與自主危險規(guī)避問題；通過研究海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，解決探測設(shè)備的搭載和作業(yè)問題；通過研究系統(tǒng)試驗驗證技術(shù)，解決海洋監(jiān)測系統(tǒng)功能驗證問題，以促進工程化應(yīng)用。并將相關(guān)技術(shù)研究成果集成于無人艇監(jiān)測系統(tǒng)工程樣機上，研制出基本配置無人艇平臺；搭載典型監(jiān)測傳感器（如多波束測深聲納、氣象儀），通過湖試、海試等外場試驗環(huán)節(jié)的考核與驗證，并實現(xiàn)對海洋環(huán)境信息的高精無人艇監(jiān)測系統(tǒng)艇體采用單體滑行艇型式，基于框架式模塊結(jié)構(gòu)，包括無航海雷達、攝像機、底層傳感器等設(shè)備，從而構(gòu)成無人艇監(jiān)測系統(tǒng)的最基本配置；可搭載多波束測深聲納、水文傳感器、氣象儀等海洋環(huán)境監(jiān)測設(shè)b排水量：~3.0th適航性：三級海況下正常工作依據(jù)功能的不同，并通過模塊化組織，將自主無人艇監(jiān)測系統(tǒng)劃分為d智能控制：硬件采用體積小、功耗低、可靠性高的嵌入式PC-1j安全監(jiān)測：實時監(jiān)控船艙溫度、電池電壓、電流、油箱油量等傳感無人艇監(jiān)測系統(tǒng)是由多個分系統(tǒng)有機構(gòu)成的移動式觀測平臺，各分系光學(xué)、電學(xué)等多類型監(jiān)測載荷（海洋探測設(shè)備）的搭載與海上作業(yè)對艇體的特殊要求，以及監(jiān)測載荷的多工作模式需求，必須保證無人艇監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)具有大航程、實用化、多用途的優(yōu)點，也只有這樣才能擁有技術(shù)和效益競爭優(yōu)勢、以及廣闊的應(yīng)用市場。因此，在滿足指南要求的技術(shù)指標(biāo)前提下，如何通過系統(tǒng)總體設(shè)計與集成和系統(tǒng)適配性研究，確保無人艇監(jiān)測系統(tǒng)滿足實用化、監(jiān)測載荷模塊化搭載等要求，最終保證無人艇監(jiān)測系統(tǒng)快速、長期地執(zhí)行使命任務(wù)，必須要求無人艇監(jiān)測系統(tǒng)具有自主航行、自主障礙檢測與危險規(guī)避、自主任務(wù)規(guī)劃與監(jiān)控能力。海面障礙物分布情況小型快艇、漁船等運動的目標(biāo)，并受到了風(fēng)浪流等環(huán)境因素的嚴(yán)重影響，表現(xiàn)出復(fù)雜性、動態(tài)性、不確定性等特性。因此，解決無人艇監(jiān)測系統(tǒng)在復(fù)雜海洋環(huán)境中動態(tài)目標(biāo)自主檢測、自主危險規(guī)避問題，是本項目的另一無人艇監(jiān)測系統(tǒng)的載體設(shè)計需要深入分析海洋監(jiān)測任務(wù)的需求，即聲學(xué)、光學(xué)、化學(xué)、水文、物理、氣象等多類型傳感器載荷的搭載要求，從而滿足不同用戶對多樣化探測任務(wù)的需求。特別是多波束等聲學(xué)設(shè)備存在作業(yè)航速的限制，即聲學(xué)類探測任務(wù)只能在低航速下進行作業(yè)；并且，要求載體具有的良好的適航性能以保證探測信息的精度。同時，還應(yīng)考慮到系統(tǒng)對高航速的需求。因此，在系統(tǒng)總體設(shè)計中即要保證低速航行穩(wěn)定性a依據(jù)監(jiān)測任務(wù)目標(biāo)需求，在綜合比較高速單體排水型船、單體滑行艇、雙體滑行艇、三體滑行艇等船型性能的基礎(chǔ)上，載體擬采用單c同時，分析折角的形狀、布置對滑行艇的阻力、浮態(tài)、運動性能的d開展載體的耐波性數(shù)值預(yù)報，主要包括：基于二維半理論，分析靜在上述研究基礎(chǔ)上，確定載體的艇型、型線和總布置等內(nèi)容。同時，開展船模水動力試驗，將理論分析與試驗結(jié)果相結(jié)合，進一步對載體進行根據(jù)無人艇監(jiān)測系統(tǒng)的模塊化設(shè)計需求，對本體和功能模塊的構(gòu)型及接口進行模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化設(shè)計，并減少不同模塊對無人艇平臺艇體流體動力布局、結(jié)構(gòu)、控制接口的影響，以實現(xiàn)無人艇監(jiān)測系統(tǒng)的多功艇體、智能控制、復(fù)合動力、推進與操縱、導(dǎo)航、通信、環(huán)境感知、安全監(jiān)測等基本模塊（標(biāo)準(zhǔn)平臺），以及可根據(jù)不同任務(wù)需要而配置的特殊任務(wù)模塊（如多波束測深模塊、水文多參數(shù)測量模塊等）。然后，基于“即插即用”和模塊化設(shè)計概念，通過在標(biāo)準(zhǔn)平臺上集成不同的功能模塊以實現(xiàn)多樣化的作業(yè)任務(wù)，使其具有較強的重配置性、擴展性和多功能性，從在軟件系統(tǒng)集成方面，在對無人艇監(jiān)測系統(tǒng)的功能模塊進行合理劃分的基礎(chǔ)上，基于分布式控制系統(tǒng)理論開展無人艇監(jiān)測系統(tǒng)功能模塊間高效絡(luò)協(xié)議的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為整個分布式控制體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)（如圖20所示），包括信息傳遞服務(wù)器模塊的設(shè)計與實現(xiàn)、信息傳遞服務(wù)器模塊與其礎(chǔ)上，開展無人艇監(jiān)測系統(tǒng)基本功能模塊（類庫）的開發(fā)，為后續(xù)系統(tǒng)開和動力系統(tǒng)等配置，對擴展功能模塊的進行設(shè)計，以保證系統(tǒng)能夠完成特作業(yè)任務(wù)模塊信息傳遞服務(wù)器信息記錄模塊傳感器信息處理模塊運動控制模塊環(huán)境感知模塊無人艇是由多個分系統(tǒng)組成的復(fù)雜大系統(tǒng)，它包括：艇體、海洋環(huán)境監(jiān)測（即監(jiān)測載荷）、智能控制、環(huán)境感知、導(dǎo)航、復(fù)合動力、推進與操縱、安全監(jiān)測、遠程無線通信、遠程集成監(jiān)控等十余個分系統(tǒng)。無人艇監(jiān)測系統(tǒng)的整體效能不僅取決于各分系統(tǒng)自身的性能，而且與它們之間的適配關(guān)系密不可分。因此，針對多樣化監(jiān)測載荷與無人艇監(jiān)測系統(tǒng)的適配性按照系統(tǒng)理論的觀點，各分系統(tǒng)各自作為無人艇監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點，它們具有任務(wù)、功能和作用雙向傳遞的特性，即不僅相關(guān)分系統(tǒng)對監(jiān)測載荷提出了具體技術(shù)要求，監(jiān)測載荷也根據(jù)實際需要對相關(guān)分系統(tǒng)提出了設(shè)計要求。該部分?jǐn)M基于系統(tǒng)分析方法，從無人艇監(jiān)測系統(tǒng)的功能體系結(jié)構(gòu)角度，深入分析監(jiān)測載荷同無人艇監(jiān)測系統(tǒng)其它分系統(tǒng)之間存在的信息共用、功能支持和功能交叉的諸多聯(lián)系；并歸納出海洋環(huán)境監(jiān)測分系統(tǒng)同其它分系統(tǒng)之間在任務(wù)、功能、信息、結(jié)構(gòu)等方面取得彼此適在遠程集成監(jiān)控軟件設(shè)計與開發(fā)方面，為滿足實用化的要求，擬將項目組開發(fā)的各分系統(tǒng)的監(jiān)控軟件進行整合與優(yōu)化，從而形成完整的、可獨立操作的無人艇監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控軟件。在研制工作中，首先，對監(jiān)控軟件的功能要求進行詳細需求分析。其次，完成監(jiān)控軟件方案設(shè)計，包括構(gòu)建監(jiān)控軟件體系結(jié)構(gòu)，根據(jù)功能進行模塊化劃分；選擇監(jiān)控軟件集成開發(fā)環(huán)境與編程語言，進行編程，監(jiān)控軟件要求結(jié)構(gòu)清晰，預(yù)留擴展接口，便于軟將監(jiān)控軟件與無人艇監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)調(diào)進行實體功能性測試；監(jiān)控軟件的進一步修改與優(yōu)化。最后，監(jiān)控軟件應(yīng)該人機界面友好、操作簡便，具備相應(yīng)的快捷工具；并附有詳盡的圖例及文字幫助文檔，對相應(yīng)任務(wù)、指令等操作均作詳細說明，使操作人員易于掌握和使用。集成監(jiān)控軟件開發(fā)技術(shù)路將智能控制分系統(tǒng)按功能，分為自主決策模塊、運動控制模塊、執(zhí)行環(huán)境感知模塊由環(huán)境感知計算機、航海雷達和攝像機構(gòu)成；通信模塊即是遠程無線通信分系統(tǒng)，負(fù)責(zé)無人艇監(jiān)測系統(tǒng)與遠程集成監(jiān)控系統(tǒng)之間的通針對無人艇面向多樣化作業(yè)任務(wù)、智能化、多層次自主性需求，設(shè)計無人艇自主決策系統(tǒng)?？紤]到無人艇具有的自治性、反應(yīng)性、主動性和社會性特性，將基于分層遞階系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型，設(shè)計出無人艇自主決策系統(tǒng)。在行為規(guī)劃方面，根據(jù)無人艇接收到的控制指令，并結(jié)合無人艇自身狀態(tài)，建立操作模型、環(huán)境模型和任務(wù)模型，從而構(gòu)造無人艇自我認(rèn)知系模型，考慮無人艇航速、機動性等運動特性，以安全性、能耗、航程等為優(yōu)化目標(biāo)，同時以無人艇的航速、最小回轉(zhuǎn)半徑和障礙物的安全距離作為；（對傳感器捕獲的遠程障礙物與全程路徑發(fā)生沖突的部分進行局部調(diào)整，基安全的避開潛在的威脅區(qū)域，進而實現(xiàn)對無人艇構(gòu)成威脅的動態(tài)和靜態(tài)障礙物遠程規(guī)避c）通過對連續(xù)多幀航海雷達感知障對雷達盲區(qū)問題自適應(yīng)的動態(tài)建立近域內(nèi)環(huán)境地圖模型，綜合考慮無人艇運動狀態(tài)和障礙信息，基于行為的方法，實現(xiàn)近程快速危險規(guī)避。通過無人艇內(nèi)部狀態(tài)和外部信息進行評估，調(diào)整規(guī)劃策略，提高無人艇對海洋環(huán)境的自適應(yīng)能力。從而解決無人艇在復(fù)雜海洋環(huán)境下的自主安全航行和作為了保障無人艇安全、可靠地執(zhí)行作業(yè)任務(wù)，如特定海域測繪、海洋平臺監(jiān)測等，需要無人艇具有精確機動能力。針對惡劣海況下高速航行無以及操縱性、機動性等固有多約束條件，擬將自適應(yīng)控制、智能控制等先進控制方法相結(jié)合，提出對不確定性影響具有魯棒性的無人艇自適應(yīng)運動控制方法，使其在復(fù)雜海洋環(huán)境下具有良好的控制性能，有效地解決無人對復(fù)雜海洋環(huán)境中的目標(biāo)（尤其是動態(tài)目標(biāo)）進行檢測與跟蹤，并進行危險規(guī)避，是實現(xiàn)無人艇自主安全航行的基本保障。針對雷達圖像存在噪聲干擾、大時滯、虛假目標(biāo)等特征，雷達（無人艇）運動和目標(biāo)機動導(dǎo)致圖像中目標(biāo)信息變化較大的問題，以及高速航行無人艇對系統(tǒng)實時性的需求。擬采用多特征目標(biāo)匹配方法，實現(xiàn)運動目標(biāo)的特征匹配；基于自適現(xiàn)實時目標(biāo)跟蹤；并有效地融合艇體位姿數(shù)據(jù)，建立完整的目標(biāo)鏈，消除目標(biāo)消失的不利影響，以提高無人艇對運動目標(biāo)的檢測和跟蹤能力，從而通過上述研究，有效地解決無人艇在復(fù)雜海洋環(huán)境中動態(tài)目標(biāo)檢測與在探測設(shè)備搭載裝置設(shè)計中，一方面使其滿足探測設(shè)備的裝配要求，以便于快速換裝多種類的載荷，并保障探測作業(yè)的高可靠性、安全性；另一方面探測設(shè)備搭載裝置應(yīng)盡量減小對艇體結(jié)構(gòu)和外形的影響，使其滿足業(yè)特性，分析探測搭載作業(yè)過程的運動學(xué)與動力學(xué)響應(yīng)，設(shè)計適宜的探測設(shè)備搭載裝置和控制系統(tǒng)，確保高海況下聲學(xué)載荷的安全作業(yè)，并開展相關(guān)試驗，有效地提高聲學(xué)載荷安全性和作業(yè)效率。同時，基于計算流體力學(xué)的方法，深入分析探測設(shè)備搭載裝置與艇體之間的流場干擾效應(yīng)，對該在探測系統(tǒng)設(shè)計方案中，針對不同探測任務(wù)需求，考慮各類探測模塊布置的便攜性與通用性，例如：聲納探測設(shè)備的基陣應(yīng)易于安裝，以便于換裝對基陣安裝角度有不同要求的其它海洋探測聲納設(shè)備；基陣的安裝基座角度應(yīng)可調(diào)節(jié)，或基陣安裝基座便于更換。為保證探測指令發(fā)送與探測信息監(jiān)控的實時性，海洋環(huán)境監(jiān)測分系統(tǒng)設(shè)計成模塊化，并集成于遠程監(jiān)在系統(tǒng)試驗驗證技術(shù)方面，擬通過仿真試驗、水池試驗完成對系統(tǒng)軟仿真試驗和水池試驗貫穿于整個研制過程。無人艇監(jiān)測系統(tǒng)試驗驗證技術(shù)建立實時集成仿真系統(tǒng)，包括無人艇的運動、傳感器、海洋環(huán)境、作業(yè)、視景等仿真與演示功能，并具備半實物仿真的試驗條件。通過仿真調(diào)試，考核與驗證系統(tǒng)的信息流與控制流、通信、虛擬駕控、無線監(jiān)控、運動控制、自主決策、環(huán)境感知、危險規(guī)避、探測作業(yè)等各種功能。對無人艇內(nèi)部硬件、軟件系統(tǒng)的可靠性，進行仿真考核與驗證。通過外場試驗，進一步修改仿真系統(tǒng)，并根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)再現(xiàn)試驗情況，便于分析與解決進行水池驗證試驗，主要試驗內(nèi)容包括：系統(tǒng)部分基本性能的定性與定量考核；整個系統(tǒng)的信息流與控制流的試驗與驗證；無線監(jiān)控、虛擬駕控等功能的驗證試驗；系統(tǒng)的運行試驗，在所有傳感器都進入工作的狀態(tài)下，為了加快系統(tǒng)研制進度、節(jié)約研制成本，在進行海上試驗前，開展湖泊試驗研究。擬對無人艇監(jiān)測系統(tǒng)的各項性能指標(biāo)進行檢驗與考核，主要完成單項試驗與系統(tǒng)基本性能的驗證，包括：遠程通信與監(jiān)控、無線遙控航行試驗；航程、航速、操縱性等航行試驗；環(huán)境感知試驗；運動控制系統(tǒng)的功能與性能的試驗；自主決策系統(tǒng)的自主航行、危險規(guī)避試驗；多波束測深、水文氣象參數(shù)測量試驗；深入分析試驗中發(fā)現(xiàn)的問題，提出無人海洋試驗是研制過程的重要階段，可以充分地檢驗與考核無人艇監(jiān)測系統(tǒng)能否適應(yīng)復(fù)雜的海洋環(huán)境，并最終達到項目要求的技術(shù)指標(biāo)。根據(jù)本項目所確定的任務(wù)，海上試驗主要完成單項試驗與系統(tǒng)基本性能和作業(yè)任務(wù)的驗證，包括：航速、航程和搭載能力，遠程通信與監(jiān)控、無線遙控航行試驗；運動控制系統(tǒng)的功能與性能的試驗，以及系統(tǒng)的基本航行性能測試；自主決策系統(tǒng)的自主航行、危險規(guī)避試驗；危險區(qū)實況及海浪監(jiān)測試海上試驗的試驗海域初步選定南海海域。首先以碼頭為基地進行無人艇的航速、航程、運動控制和自主航行等基本航行能力的試驗。在此基礎(chǔ)上進行母船搭載無人艇的危險區(qū)和敏感區(qū)試驗，母船為**海軍大中型試驗船，采用吊裝式布放回收裝置進行攜帶，敏感目標(biāo)可以選用預(yù)設(shè)目標(biāo)或者b排水量：~3th適航性：三級海況下正常工作i功能：視頻監(jiān)控、實時通信、定位及無人j作業(yè)能力：具備多波束測深和水文氣k智能水平：自主航行、自主障礙檢測與危險規(guī)避能力m航向控制精度：±5°（航速≤20kn，且海況≤3級）、±8°（航精度為量程的±1%(≥25m）、最小作用距離40m通過無人艇監(jiān)測系統(tǒng)研制項目，掌握遠程復(fù)合動力快速無人艇監(jiān)測系統(tǒng)工程樣機的總體設(shè)計，完成一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的自主無人艇監(jiān)測系綜合無人艇研制項目的產(chǎn)學(xué)研開發(fā)和應(yīng)用，將打破國外技術(shù)封鎖，有助于掌握無人艇設(shè)計、制造的關(guān)鍵技術(shù)，減少對進口產(chǎn)品的依賴，提高產(chǎn)a面向海洋監(jiān)測任務(wù)需求的載體設(shè)計及模塊化系統(tǒng)集成技術(shù)b多樣化監(jiān)測載荷與無人艇監(jiān)測系統(tǒng)的適配性技術(shù)7.1研究的主要承擔(dān)單位情況簡介在船、海、空、核等領(lǐng)域保持著很強的技術(shù)儲備，其自動化控制系統(tǒng)、儀器儀表、自動化共振、水下技術(shù)新設(shè)備、水下導(dǎo)航與定位等技術(shù)居國際先進地位，已成為烏克蘭艦船科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)和應(yīng)用研究的主力軍之一，是發(fā)學(xué)院擁有設(shè)施完善、技術(shù)先進、管理有序的研究平臺，為承擔(dān)國家重取得了豐碩的研究成果，其中一批技術(shù)成果已直接應(yīng)用到國民經(jīng)濟與國防建設(shè)中，取得了明顯的經(jīng)濟與社會效益。在導(dǎo)航傳感器領(lǐng)域，開展了導(dǎo)航系統(tǒng)，海上移動物體以及航海設(shè)備控制系統(tǒng)的研究工作，建立了新的物理原則的導(dǎo)航傳感器研究方法，獲得了導(dǎo)航與控制的慣性一體化系統(tǒng)的新手“三海一核”（船舶工業(yè)、海軍裝備、海洋工程、核能應(yīng)用）領(lǐng)域重要的人才培養(yǎng)和科學(xué)研究基地。哈爾濱工程大學(xué)“水下機器人技術(shù)重點實驗室”創(chuàng)建了自主水下機器人（AUV）、無人艇（USV）等無人智能載體系統(tǒng)或有人水下運載系統(tǒng)等主要技術(shù)領(lǐng)域的6個研究室。實驗室現(xiàn)有固定人員30余），術(shù)先進、功能齊全、具有國內(nèi)先進水平的深水綜合試驗水池；搭建了設(shè)施完善、技術(shù)先進、管理有序的研究平臺。這些為承擔(dān)國家重大預(yù)研和重大實驗室在海洋空間運載器的系統(tǒng)設(shè)計與集成、智能規(guī)劃與控制、水下導(dǎo)航與定位、水下目標(biāo)的探測與識別等方面的研究，顯著地促進了我國智能水下機器人技術(shù)、無人艇技術(shù)的發(fā)展，對于保衛(wèi)國家海洋安全、探索海洋和實驗室科研團隊在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域、海洋開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域、裝備預(yù)研和國研成果，一批技術(shù)成果直接應(yīng)用到國民經(jīng)濟與國防建設(shè)中，取得了明顯的效益。在國防科工委、工信部、科技部等部委的支持下，承擔(dān)并研制了多種型號的水下機器人AUV系列和智能無人艇USV。本次合作技術(shù)研究項目均為國內(nèi)海洋無人艇領(lǐng)域急需的高新技術(shù)，國外合作方烏克蘭國立科技大學(xué)基輔工學(xué)院具有該研究領(lǐng)域的世界領(lǐng)先理論與技術(shù)成果，國內(nèi)承擔(dān)研究的單位在海洋無人艇技術(shù)方面也有著多年的研吸收外方先進海洋無人艇技術(shù)的基礎(chǔ)上，可形成具有世界先進水平的的國本合作研究項目主要由青島海鳥探海裝備制造有