uuv与auv国内外发展情况

USV 与 AUV 国内外发展情况 1、USV 国内发展情况 1.1 上海海事大学“海腾 01” 上海海事大学日前对外发布最新科研成果，由该校科学研究院航运技术与控制工程交 通行业重点实验室无人水面艇课题组开发研制的“海腾 01号智能高速无人水面艇”成 功落水。 作为国际研究热点，“海腾 01”号瞄准世界最先进无人水面艇技术，开发具有全天候、 高海况下自主航行，实时进行水面监视监测、水下测量勘探功能,多操控模式、大载荷特点 的高速无人水面艇。“海腾 01”号可在海事巡航、航道测量、水文监测、水面防污染监测、 进出港与过境船舶监测监视、水上消防、水上溢油控制与回收、海上搜寻救助、沉船勘探 打捞、水上反恐、专属经济区守护与活动取证、海洋资源调查与取样等领域无人作业。 该项目获得 2010 年中央财政支持地方高校发展专项资金支持，并在国内首次实现海上 溢油处理水面机器人技术及其装备的试验性应用。 据介绍，“海腾 01”号智能高速无人水面艇长 10.5 米，宽 3.6 米，满载排水量 8.5 吨， 吃水 0.8 米。使用喷水推进，最大航速 40 节，巡航速度 30 节。由艇体、推进系统、能源 系统、导航系统、通讯系统、控制系统和任务系统等组成。具有全自航模式、半自航模式 和全遥控模式三种工作模式。配备有毫米波雷达、激光雷达、前视声纳、立体视觉和 360 度监控摄像机等监测设备，可进行水上和水下障碍物的全方位探测。并通过多源信息融合 提高障碍物探测的准确性和可靠性，为自主避障提供足够信息。“海腾 01”号既可无人驾 驶，也可人工驾驶，驾控台上的人工驾驶具有最高优先级，便于无人艇调试过程中的监控 与紧急情况处置。 1.2 上海海事大学“Silver frog ” 上海海事大学研制的“Silver frog ”号 USV 为双体型铝合金小船，是一个多任务通用 平台，艇长 2.7m、宽 1.48m、型深 0.36m，艇重 60kg，有效载荷 100kg。采用双螺旋桨 推进，由 DC 电机驱动，依靠推力差进行转向控制。航速可达 6kn（艇重 60kg 时），使 用 60Ah 的锂电池组供电。 “Silver frog”采用了基于无线局域网络的控制系统，它由岸基 监控系统和 USV 载体组成，通过监控系统下达控制指令以控制 USV 的航行，无线网络 的有效通信距离可达 1 n mile，该艇还配备了照相机等设备。目前该艇进行了海港监视、 水质量采样、水文测量、海事搜救等试验。 图 8 “Silver frog” USV 1.3 中国航天科工集团“天象 1 号” 隶属于中国航天科工集团的沈阳新光公司开发了“天象 1 号”USV。该艇的船体采用 碳纤维材料，全长 6.5m，配有智能驾控、 GPS 定位、航海雷达搜索、图像传输与处理等 系统，能够向母船和岸基实时传输艇体周围海域的环境图像。该 USV 作为气象应急装备， 在 2008 年的青岛奥运帆赛期间为比赛提供了气象保障服务。 图 1 “天象 1 号” USV 1.4 航天科工新光集团“XG-2” 2006 年 10 月在第六届中国国际航空航天博览会上,航天科工新光集团展示了自行研制 的 XG 一 2 水面无人艇,这也是我国第一种无人多功能艇。 XG 一 2 采用了自主航行与遥控 航行两种模式,最大航速达到 45 节,遥控距离达到 100 千米。小艇可携带雷达、光电和声呐 等目标探测系统,可配备机枪、防空导弹等自卫武器,执行扫雷任务时还可携带灭雷具。目前 这种小艇正在进行相关实验,不久即可投入使用 图 1.6 我国的 XG 一 2 水面无人艇 1.5 哈尔滨工程大学“XL-USV” 哈尔滨工程大学水下机器人技术重点实验室借助于在 AUV 领域所积累的丰富经验， 在国内较早开展了 USV 技术研究，在 USV 运动控制、路径规划、环境感知等方面进行 了大量湖试与海试，取得了一定的成果。 图 2“XL” USV 1.5 北京铭尼科科技有限公司 北京铭尼科科技有限公司于 2007 年推出的无人水面巡航艇可谓是一个突破，巡航艇 长 7-11 米，最大航速 35 节，是一个可远程控制的水面机器人运载平台，其极强的机动 灵活性使它在海岸与港口安全、勘测与侦察、海上作战、目标搜寻等方面都有很好的应用。 1.6 沈阳自动化所 沈阳自动化所开发了三体 USV，该艇的推进系统采用直流电动驱动，航速 46kn。试 验平台分为地面控制系统、无线传输设备和艇载控制系统三个部分，其中地面控制系统由 操纵杆和电脑组成；艇载控制系统由主计算机，A/D 数据采集卡和传感器等构成，其中主 计算机由 PC-104 组成。该艇配备了线加速度/ 角速度传感器、陀螺仪、罗经和 Hemisphere OEM 型 GPS 等。 沈阳自动化所的三体 USV 2、USV 国外发展情况 2.1 美国 2002 年，美国太平洋司令部发起设计新型水面无人舰艇“Spartan ”项目。 “Spartan”号 USV 是一个模块化、可重构、多任务、高速、半自主式水面无人艇，分为 7 米和 11 米两种艇型，能够分别携带 3000 磅和 5000 磅的有效载荷。目前，美国海军 濒海战斗舰已开始配备该 USV，该艇装有光电/红外监视器、对海搜索雷达、数字图像传 输系统和无人指控设施。这些环境感知传感器使母舰能够通过水面无人艇获得周围的海上 图像，对受保护舰艇周围的环境进行实时监视并具有出色的环境感知能力，可检测水面小 型快艇或水雷，是应对海上非对称威胁的主要手段。图 2 即为“Spartan”号 USV 通过 可见光摄像头探测到的舰船目标，可实现目标瞄准。 (a)7m 长 USV (b)11m 长 USV 图 1 “Spartan”系列 USV 图 2“Spartan”USV 探测图像 美国海军开展了”Seafox”系列型号 USV 的研制。该型号 USV 配有数字缩放红外 摄像机、数字缩放白昼彩色摄像机、370的导航摄像机等环境感知传感器。这些设备使 得该型号 USV 具备远距离监控的能力，很大程度上扩大了该型号 USV 的作业范围，包 括：内河作业，海面拦截作业，海域环境感知，港口安全，自动作业等。 图 3 “Seafox MK I” USV 和 “Seafox MK II” USV 美国空间和海战系统中心的机器人研究小组开发了一种通用的 USV 试验平台 “SSC San Diego”号 USV，其目的是为后续的新概念 USV 研发进行快速原型搭建与测 试。在该平台上，该小组研究了多项用以提升 USV 性能和智能水平的先进技术，并成功 地运用于其它类 USV 上。“SSC San Diego”号 USV 以 Furuno 数字航海雷达目标检测 结果为基础，结合电子海图实时建立局部环境模型，完成了 USV 的自主航行和危险规避。 图 4“SSC San Diego” USV 2.2 以色列 以色列研发了“Protector”号 USV，它是当今技术最成熟的无人水面艇。它以刚性充 气艇为基础，采用遥控控制模式，艇长为 9 米，速度可达 50 节。艇上配备先进的导航雷 达、全球定位系统、红外传感器、光电指示器、“微型台风”遥控武器站等先进仪器设备， 能通过视距内或视距外通信进行控制，可以通过光电指示器或红外传感器探测到敌对目标， 如海上作战平台、小型舰艇，并进行指示攻击；还可以执行护卫和巡逻，海上保卫，远程 打击任务等。 图 5 “Protector” USV 2.2 其他 韩国海洋研究院正开展 USV 方面的研制，其目的是替代普通舰艇来完成海洋调查、 区域巡逻等任务，在降低安全事故发生频率的同时，有效提升海洋调查、巡逻活动的作业 能力，在海况恶劣的状况下，还能对遇险人员进行搜救，计划在 2015 年实现商业化。 日本为阻止来自海上的入侵和攻击等恐怖事件，研发无人驾驶潜艇和无人驾驶水上艇， 计划于 2013 年实现部署。构想是将无人驾驶水上艇和无人驾驶潜艇加以结合，共同进行 追踪武装间谍船、搜索和清除水雷、海底调查以及监视入侵离岛、港湾和沿岸的敌方特种 部队等任务。 综上，现阶段国外 USV 已具备一定的自主或人工参与的环境感知能力，对航海雷达 和视觉传感器在 USV 上的综合应用相对成熟，并已经应用于实艇试验和实际使用中。美 国在无人系统发展路线图中指出，未来 USV 环境感知系统发展方向包括多变海洋环境的 适应能力和复杂环境下的感知识别能力，2015 年环境感知系统应达到目标分类能力，2034 年应具有自主的智能目标识别能力。 3、AUV 国内发展情况 在世界各国研究 AUV 如火如荼时候，我国才开始起步研究，但是这种研究也仅仅集 中在少数高校和研究所中。在 1986 年实施 863 计划之前，研制的都是仅能达到 300 米的有 缆遥控水下机器人。 到九十年代，我国在水下航行器技术领域获得了重大突破。沈阳自动 化所在 1994 年和 1995 年分别与国内的中科研声学所、中船重工 702 所还有几所重点高校 和 俄罗斯科学院海洋技术研究所合作研发了“探索者”号和 CR-01(图 1-4)，这两种无缆的水 下航行器。前者工作深度达到了 1000 米，后者则是达到了 6000 米，我国一下跻身到在机 器人总体技术水平的世界先进行列，也成为了 AUV 能下潜到 6000 米的少数国家之一。 CR-01 可以按照预订航线进行航行，在 6000 米水下能够拍照、摄像、海底沉物目标搜索观 察、海底多金属结核丰度测量、海底地势与剖面测量等等。CR-01 型 AUV 主要是为了用 于对矿产资源的勘测和开发，其研究得到了中国大洋矿产资源开发研究协会支持。 图 1-4 CR-01 型水下航行器 2008 年 3 月 CR-02 型 AUV6000 米深海试验成功，标志着中国在自主式水下航行器 技术和应用方面实现新的跨越，达到世界先进水平。CR-02 型(图 1-5)AUV 的本体长 4.5 米，直径 0.8 米，最大工作深度与 CR-01 一样，6000 米，续航达 25 小时，定位精度小于 20 米，长基线声纳定位系统作用距离为 10-12 千米，剖面仪地层穿透深度达 50 米。CR-02 型 AUV 主要用于国际海底复杂环境下的海底矿产资源调查、作业海区现场海洋环境的测 量、深海采矿场所的前期和后期调查、在某些特殊情况下还可作为定点调查设备使用，也 可以应用于失事舰船调查和深海科学考察。 图 1-5 CR-02 型水下航行器 由哈尔滨工程大学、华中理工大学、702 研究所和 709 研究所共同开发研制的自主式 智 能水下机器人“智水”系列(图 1-7)代表了我国军用 AUV 的先进水平,该系列 AUV 可用 于海域扫雷,自主巡航等。经实验表明在智能控制等诸多方面“智水”都达到较高的水平。 图 1-7 “智水”型水下航行器 4、AUV 国外发展情况 4.1、美国海军空间和海战系统中心自游者 II 美国海军空间和海战系统中心(SPAWAR)开发的自游者 II(Free Swimmer II-SFII)、 无人驾驶搜索系统(AUSS)(图 1-1)以及飞行插头(Flying Plug)。其中自游者 II 属于无人驾驶 水下航行器(UUV), 在三者中体积最大,整体呈鱼雷形状,主要用来运输其他自主式航行器24。 AUSS(图 4-1)属于自主式水下航行器(AUV),体长 5.2 米,直径 0.8 米,重 1230 千克,续航行时 间为 10 小时左右。飞行插头是为数据传输而设计的中间站,是为 AUV、潜艇以及其他水面 舰只之间的远距离通信而设计的小型 AUV。 图 4-1 美国海军空间和海战系统中心的 AUSS 4.2、美国海军研究生院 ARIES 水下机器人 美国海军研究生院(NPS)开发的 ARIES 水下机器人(图 4-2),在水下多机器人协调雷区 探测与水雷清除工作中发挥了重要作用。由于水下扫雷任务危险性很高,因此控制算法上当 出现机器人失踪时(引爆水雷 ),主控机器人可以下令其余机器人接替失踪机器人原先的任务。 结果表明该机器人编队应用于雷区探测可以在极大的提高搜索效率的同时,降低水雷的遗漏 数量。 图 4-2 美国海军研究生院 (NPS)的 ARIES 水下机器人 4.3、麻省理工学院 ODYSSEY 麻省理工学院(MIT)海洋工程系海洋机器人实验室研制了 ODYSSEY 自主式水下航行 器,Caribou 和 Xanthos 水下协作机器人。ODYSSEY 主要用于海洋科学考察和海洋取样等 任务。该 UUV 体长 2.2 米,直径 0.57 米,设计上与一般欠驱动 AUV 相比最大的特点是航 行器的两侧各有一个电动推进器,该设计提高了转向灵活性与最大航行速度。Caribou 和 Xanthos 水下机器人主要用于海洋科学考察,两者通过协作方式组成的 AUV 编队在建立海 流的时空光谱模型中发挥了重要作用,通过协调标图的方法,提高了对位置环境标图的有效性、 快速性和健壮性30,31。 4.4、Woods Hole 海洋研究所 REMUS Woods Hole 海洋研究所开发的两款水下航行器 REMUS(图 4-3)与 ABE 同属于信 息型 AUV。REMUS 作为“ 远程环境监控单元”用来执行海洋监测任务。AUV 长 1.33 米,中 间最宽处 0.19 米,重量不足 30 千克,在众多 AUV 里属于小巧灵活的类型。ABE 体积较大 可携带更多的能源和设备,其特点是船体由三部分组合而成,可在水中完全悬停以进行海底观 察、地形勘测等活动,该 AUV 还具备自动回坞功能。 图 1-3 Woods Hole 海洋研究所开发的 REMUS 4.5、日本东京大学 Kaiko 日本作为岛国,在海洋开发探测领域一直走在世界前列,09 年由东京大学主持开发 建造的 Kaiko 无人水下航行器( 图 4-4),已经可以下潜到世界上最深的海底。其他还有通用 动力公司和雷声公司研制的用于探测水雷的 XP-21,德国 STN 公司研发的使用像缩微燃料 电池和碳纤维增强塑料的深海 C(Deep C),英国研发的用来搜集海洋数据的 AUV“海豚” (Dolphin),法国海洋开发研究所开发的“EPAULARD”号无人航行器,韩国大宇公司旗下的 船舶海洋研究与俄罗斯海洋研究所共同研发的 OKPO-6000 等等。 图 1-4 日本东京大学 Kaiko ROV 无人水下航行器 5、UUV 国外发展情况 2.1 美国推出“海军无人潜航器主计划” 目前，美国已成功开发了多型 UUV。其中，远程环境监视系统 (Remote Environmental Monitoring Units，REMUS)在 2003 年“自由伊拉克”行动中成功执 行了反水雷任务；AN/BLQ-11 于 2005 年在 SSN 708 攻击型核潜艇上进行了测试； AN/WLD-1“遥控猎雷系统”(Remote Mine-hunting System ，RMS)也已经进入小规模初始 生产阶段，RMS 主要用于执行沿海地区的反水雷作战任务。 1999 年，美国海军制订了 UUV 发展计划。2002 年，美海军要求 UUV 与无人机具有 通用性，提高操作自主性水平。2004 年 5 月，美海军按照新的水面与水下联合作战的思想 要求，修订了 UUV 发展计划，强调提高 UUV 与潜艇、水面舰艇信息联通的能力。2005 年 1 月 21 日，美国海军公布了经过大规模修订后的升级版的“海军无人潜航器主计划”， 明确要发展便携式、轻型、重型和巨型 4 类 UUV，续航力将突破百小时。 根据规划，美国海军正在建造和研制的所有水面舰艇和潜艇都将配备 UUV，同时强调 标准化和模块化设计， 进一步开发 UUV 自主能力、能源和推进技术，传感器和信号处理 技术，通信和导航技术以及作战和人工干涉技 术等。 2.2 德国 UUV 计划取得重大进展 2005 年，德国阿特拉斯电子公司研制成功了 DeepC 自主式无人潜航器，并在比斯开湾 深海水域进行了演示活动。DeepC 研发计划是德国 21 世纪航运与船舶技术研究规划的一部 分，由德国联邦教育研究部提供资金。DeepC 重 2.5 t，