無人艇操縱性與智能控制技術(shù)分析

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摘要：隨著技術(shù)迅速發(fā)展，無人艇操縱性能與智能控制技術(shù)逐漸趨于成熟，其體積小、隱蔽性強(qiáng)、航速高等特點(diǎn)是有人駕駛的艦艇所不能相比的。無人艇還能完成一些特殊任務(wù)，比如在情報(bào)偵察、監(jiān)視、反恐、掃雷等方面發(fā)揮著重要的作用，也受到了許多國家的重視。在不可預(yù)測(cè)的海洋環(huán)境中，無人艇要有靈活的操縱性能和精確的控制力來保證自身與其他船只的安全，因此需要加強(qiáng)無人艇的智能性來改善其工作的性能。本文主要針對(duì)無人艇操縱性與智能控制技術(shù)進(jìn)行探究。

關(guān)鍵詞：無人艇；操縱性；智能控制技術(shù)

隨著人工智能的發(fā)展，無人艇技術(shù)也逐漸智能化，從機(jī)械自動(dòng)舵發(fā)展成PID自動(dòng)舵，后來發(fā)展為智能式自動(dòng)舵[1]。無人艇技術(shù)在第二次世界大戰(zhàn)中就進(jìn)行了使用，而其設(shè)計(jì)的最初目的是在沿海地區(qū)進(jìn)行排雷或者是進(jìn)行障礙物的清除，水面無人艇是一種新型智能水面機(jī)器人，能夠收集情報(bào)、掃雷、偵察、監(jiān)視、搜救、導(dǎo)航等，也是許多國家重要的發(fā)展研究的產(chǎn)品。并且我國無人艇的研發(fā)與其他發(fā)達(dá)國家相比還存在一定的差距，但是面對(duì)未來發(fā)生在海上的沖突，可以降低士兵的生命危險(xiǎn)，不必再潛入水中進(jìn)行勘測(cè)。并且智能技術(shù)的使用也讓無人艇的自適應(yīng)性、穩(wěn)定性、魯棒性等控制性能上有了明顯的改善和提高。

1無人艇的發(fā)展背景

如今的科技發(fā)展十分迅速，就連戰(zhàn)爭(zhēng)也從以往兵刃相接的冷兵器時(shí)代轉(zhuǎn)化為如今的高科技戰(zhàn)爭(zhēng)，其中，無人艇領(lǐng)域就能夠占據(jù)其中的重要一部分，無人艇的用處有很多，不僅僅是在深海探索中，在我國軍事上的作用也占據(jù)十分重要的地位。無人艇的特點(diǎn)有很多，靈活、隱蔽性強(qiáng)、不需要要額外的駕駛員，能夠有效的避免人員傷亡，受到許多國家的青睞。在現(xiàn)代中國的無人艇中有著著名的搭載了導(dǎo)彈武器的無人艇“瞭望者Ⅱ”，對(duì)于中國來說他有著十分重要意義，他不僅僅是作為中國的第一艘無人潛水艇，更是搭載了先進(jìn)的武器系統(tǒng)以及定位系統(tǒng)，是名副其實(shí)的“水下殺手”，為這艘無人艇提供技術(shù)支持和制造的云洲聯(lián)合西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所、華中光電技術(shù)研究所不僅僅為其設(shè)計(jì)了優(yōu)秀的體積并且在其搭載了十分先進(jìn)的定位系統(tǒng)，由于高精密雷達(dá)和自身優(yōu)的成像系統(tǒng)，“瞭望者Ⅱ”無人艇不僅僅可以實(shí)現(xiàn)四枚導(dǎo)彈同時(shí)發(fā)射，而且能夠?qū)⑸鋼艟瓤s小在一米內(nèi)，相較于普通的無人機(jī)以及無人車來說，水下無人艇的技術(shù)更為復(fù)雜，制造成本以及難度都很大，而正式由中國自主研發(fā)的水下無人艇的正式投入使用，不僅僅標(biāo)志著我國巨大的科研力量，而且提升了中國的國際地位以及軍事領(lǐng)域的地位[2]。

2探究無人艇的內(nèi)部營造

對(duì)于無人艇的設(shè)計(jì)來說，如何實(shí)現(xiàn)在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多儀器和提高其強(qiáng)度是一個(gè)嚴(yán)峻的問題，一個(gè)合理的結(jié)構(gòu)可以保證其安全有效的進(jìn)行作業(yè)，因此對(duì)于無人艇的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要付出相當(dāng)?shù)男难虼巳绾沃圃煲环N相對(duì)成本較低且實(shí)用性高的結(jié)構(gòu)。就成為了需要解決的問題。而對(duì)于無人艇在水下作業(yè)而言。分層次的結(jié)構(gòu)對(duì)其來說是為更好的結(jié)構(gòu)。因此設(shè)計(jì)無人艇的專家們，進(jìn)行了三層設(shè)計(jì)。對(duì)于無人艇來說，三層設(shè)計(jì)包含了對(duì)其發(fā)出指令的指示級(jí)，對(duì)其整體各個(gè)部分的零件以及感受器反饋的信號(hào)進(jìn)行匯總及分析的協(xié)調(diào)級(jí)，對(duì)其命令進(jìn)行的分配以及組織的組織級(jí)，這種分級(jí)結(jié)構(gòu)的建立有助于調(diào)節(jié)無人艇在實(shí)際情況中的各種問題。由于無人艇的精度一旦提高與之相反的智能程度就會(huì)下降，而相反智能程度的增加，也會(huì)帶來無人艇精度的下降。這三種結(jié)構(gòu)的存在就能夠在其一種結(jié)構(gòu)失效時(shí)能夠由其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行代替和工作。完美的解決了，在實(shí)際情況中一旦出現(xiàn)問題就不能運(yùn)行的問題。這種結(jié)構(gòu)我們稱之為混合式結(jié)構(gòu)，而混合式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也能使無人艇像人類一樣能夠?qū)λ幍那闆r進(jìn)行分析思考以及做出回應(yīng)，因此無人艇可以擔(dān)任在許多情況中的危險(xiǎn)任務(wù)。而其產(chǎn)生故障的概率大大降低，能夠使其擁有高適應(yīng)能力的特點(diǎn)，在我國的軍事戰(zhàn)爭(zhēng)中有著不俗的作用，提升我國的軍事力量。

3無人艇智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

對(duì)于無人艇的運(yùn)動(dòng)來說，應(yīng)當(dāng)是智能的，由主要的智能控制中樞來進(jìn)行對(duì)傳速航行方向，周邊環(huán)境以及航行姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。由于所處環(huán)境的不確定行以及復(fù)雜程度較大，而對(duì)周邊的這些問題進(jìn)行解決，只能靠混合式體系結(jié)構(gòu)。對(duì)于無人艇的導(dǎo)航系統(tǒng)配備有慣性導(dǎo)航、GPS、水聲、導(dǎo)航雷達(dá)、測(cè)深儀、光學(xué)等設(shè)備。這些設(shè)備通常都各有優(yōu)缺點(diǎn)[3]。故為聯(lián)合使用，用以提高探測(cè)的精準(zhǔn)度，減少探測(cè)過程中的誤差。因此使用多設(shè)備探測(cè)數(shù)據(jù)融合的方法有利于提升導(dǎo)航精度，能夠有效的提升導(dǎo)航效率，對(duì)于少量設(shè)備提升自身精準(zhǔn)度的方案難度較大，這和現(xiàn)有艦船的組合導(dǎo)航原理是一樣的。正是由于混合式體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)良特點(diǎn)，能夠?qū)⒍喾N傳感器以及探測(cè)器聲納等硬件完美的結(jié)合起來，而進(jìn)行合理的分配以及調(diào)整收集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境的探測(cè)以及相應(yīng)指令的安排。而且要實(shí)現(xiàn)無人艇智能運(yùn)動(dòng)控制，必然離不開高級(jí)計(jì)算機(jī)以及硬件的幫助，除此之外還需要更多的傳感器，導(dǎo)航設(shè)備，環(huán)境檢測(cè)設(shè)備，無線通訊設(shè)備等一系列的硬件設(shè)備，來維持其對(duì)外界環(huán)境的探測(cè)。而對(duì)于船舶本身的運(yùn)動(dòng)是具有無規(guī)律、大時(shí)滯、慣性大的特點(diǎn)，容易受到海風(fēng)海浪等外界因素的干擾，無人艇的運(yùn)動(dòng)控制原理就是進(jìn)行復(fù)雜的無規(guī)律、不確定性系統(tǒng)的控制。在水面上的艦船只需要自身架設(shè)螺旋槳和舵即可進(jìn)行操控，屬于使用轉(zhuǎn)舵力矩和螺旋槳縱向推力，控制船身進(jìn)行多方向的運(yùn)動(dòng)，屬于欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。故為了實(shí)行無人艇的控制，總體上為船舶的控制系統(tǒng)加入理想的線性數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)。但在實(shí)際的情況中，無人艇的的水動(dòng)力系數(shù)并不是確定的值，而是隨著外界因素的影響不斷地變化，因此獲得精確的數(shù)值較為困難。最近，在無人艇的最新研究中，新的魯棒控制理論被植入到無人艇的控制系統(tǒng)中，但實(shí)際情況中的風(fēng)浪流干擾等因素對(duì)與控制系統(tǒng)的影響，至今還沒有找到合適的解決方案。尤其是在高海況下，各種海上因素?cái)_動(dòng)的集合，海內(nèi)的阻力，進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量誤差增大，對(duì)無人艇的精確控制的難度較大[4]。特別是無人艇排水量不高，但航行速度快，高海況下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的幅度遠(yuǎn)大于人為操控艦船，無人操控難度更大。主要表現(xiàn)在，大于3級(jí)海況后，船身的失速較為明顯，在航行過程中對(duì)航向角的保持困難，預(yù)定軌跡與標(biāo)準(zhǔn)航線產(chǎn)生較大的偏離。故需要進(jìn)行多種海況模擬的控制模型，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)無人艇的精準(zhǔn)控制。但由于如今科技的局限性，還并不能完美的實(shí)現(xiàn)無人艇對(duì)外界環(huán)境判斷以及自身調(diào)整，未來在相關(guān)領(lǐng)悟升級(jí)的空間還是較為充足，期待在不久的將來無人艇的技術(shù)積累的更加豐富，能夠研發(fā)出更為智能的無人艇。

4無人機(jī)的通訊系統(tǒng)

對(duì)于無人艇的通信系統(tǒng)設(shè)立，在海上無人裝備的重要性就尤為明顯。由于無人船艇在進(jìn)行無人控制時(shí)肯定需要與地面緊密的聯(lián)系。而通信過程的中斷，意味著無人艇失聯(lián)以及失去控制。因此，在出現(xiàn)無人艇的通信問題的時(shí)，為了對(duì)安全考慮，第一任務(wù)是進(jìn)行停機(jī)，放棄對(duì)無人艇進(jìn)行控制使其自由漂泊，原地等待通信修復(fù)。而如今的無人艇還不夠智能，尚不能進(jìn)行遠(yuǎn)程的自我返回。這在某種意義上來說，能夠?qū)崿F(xiàn)有效通訊的范圍，就是無人艇執(zhí)行任務(wù)時(shí)的屏障。而對(duì)于美國“海獵手”無人艇能夠?qū)崿F(xiàn)全自主的執(zhí)行任務(wù)，其密布全國的的地、天、海洋通信網(wǎng)絡(luò)多方傳輸，起到了非常關(guān)鍵的作用。對(duì)于傳統(tǒng)海上船舶進(jìn)行通信時(shí)，位于海上的無線通信、衛(wèi)星通信和陸地的移動(dòng)通信共同組成了海洋通信網(wǎng)絡(luò)，能夠有效的實(shí)現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)等多方信息傳輸。對(duì)于海上進(jìn)行無線電通信網(wǎng)絡(luò)的成本雖然不高，但無限電的覆蓋范圍有限，并且容易受到海上天氣、磁場(chǎng)的影響；對(duì)于海上衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)可以做到提供全球覆蓋，但其高昂的價(jià)格以及低速率的通訊有待優(yōu)化;而蜂窩的通訊應(yīng)用到海洋能提供高速率、低價(jià)格的通信服務(wù)，但其覆蓋范圍十分有限[5]。現(xiàn)如今，國家對(duì)于無人艇主要采用無線電進(jìn)行通訊，但重點(diǎn)是5~10海里內(nèi)的帶寬的可靠通信問題，對(duì)通訊的信號(hào)進(jìn)行有效的安全的保障；同時(shí)，要考慮無人艇在通訊信號(hào)差的環(huán)境下，應(yīng)具備實(shí)現(xiàn)自身的多方傳感器以及智能計(jì)算機(jī)的運(yùn)用，在一定的時(shí)間內(nèi)可進(jìn)行安全、自主的航行。而對(duì)于中大型無人艇，需要進(jìn)一步研究通訊問題[6]。

5無人艇的優(yōu)勢(shì)

在不斷的戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)展至今的無人艇也隨之變得更加的現(xiàn)代化、智能化，如今的戰(zhàn)爭(zhēng)主流更傾向于無人領(lǐng)域以及自動(dòng)化、智能化的領(lǐng)域發(fā)展，針對(duì)于無人艇的作戰(zhàn)方式也就會(huì)有許多的領(lǐng)域供其進(jìn)行軍事作業(yè)，對(duì)于無人艇的優(yōu)點(diǎn)來說，無人駕駛及在水下的高機(jī)動(dòng)行以及強(qiáng)隱蔽的特點(diǎn)受到許多下國家的青睞，對(duì)于我國的軍事領(lǐng)域的進(jìn)步也有著重要作用，對(duì)于現(xiàn)代科技戰(zhàn)爭(zhēng)中的優(yōu)點(diǎn)來說，其主要的優(yōu)點(diǎn)有如下幾方面：首先，在偵察領(lǐng)域，無人艇可以說的上是其中的領(lǐng)頭軍，優(yōu)異的機(jī)動(dòng)力和不易被發(fā)現(xiàn)的隱藏手段，能夠使其在進(jìn)行對(duì)島嶼、港口、海上分界線環(huán)境中大展拳腳，對(duì)其目標(biāo)實(shí)行隱蔽的打擊，在現(xiàn)代的戰(zhàn)爭(zhēng)中有著重要作用。其次，在進(jìn)行對(duì)地攻擊時(shí)，可以輔助對(duì)地人員進(jìn)行攻擊，打亂敵人的防守線。再次，沒有駕駛?cè)藛T的無人潛艇，不僅可以攜帶不同種類的武器，根據(jù)任務(wù)需要還可進(jìn)行探查、搜尋等功能。最后，攜帶水下武器的無人艇也可以進(jìn)行聯(lián)合行動(dòng)，配合水面上的人員及武器裝備共同實(shí)現(xiàn)來聯(lián)合打擊，實(shí)現(xiàn)更加靈活的攻擊方式。

6結(jié)語

隨著科技的發(fā)展，各種工具的智能化、無人化的也成為當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展趨勢(shì)，無人艇相關(guān)技術(shù)可以用于邊防巡邏、海洋研究、海洋測(cè)量、天氣預(yù)報(bào)、海洋生物監(jiān)測(cè)、搜索、營救、對(duì)爆炸裝置的探測(cè)等。無人艇在民用或是軍用方面都具有廣泛的運(yùn)用前景，因此，需要繼續(xù)在無人艇的操縱性和智能性來進(jìn)行探究，改善其工作的性能。

參考文獻(xiàn)

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作者：鄭國權(quán) 單位：嶺南師范學(xué)院