海洋智能无人系统技术：USV自动化发展与应用前景

地球上大约三分之二的面积被海洋覆盖，海洋环境中气候变化、环境异常、人员需求和国家安全问题都刺激了商业、科学和军事领域对开发新型USV的强烈需求。对于USV来说，物体由于浮力漂浮在水面上，仅需少部分能量用于推动USV运动，因此USV实际待机的运行时间远远超过无人机。

USV能够在各种杂乱的环境中执行任务，不需要任何人工干预，在执行任务期间以最少的人为干预来进行决策，有着不同程度的自主能力。USV可分为两种类型，即自主水面航行器（autonomous surface vehicles，ASV）和远程操作航行器（remotely operated vehicles，ROV）。ASV能够在没有人工干预的情况下直接执行操作，而ROV则由在基站工作的操作员控制，信号通过有线或无线通信媒体从基站发送到机载设备，这些无人驾驶海上航行器可以由在安全地点的工作人员进行远程操作。

USV并不是一个新的研究和开发领域。自第二次世界大战以来，这一领域一直在持续发展，但在20世纪末USV才被广泛注意到。这一领域获得广泛认可主要有两个原因：一是计算机的更新换代刺激了技术的发展；二是为了保护海船免受恐怖分子的袭击，人们对于USV的应用需求不断提升。

目前通常只有半自动USV被投入实际应用，因为全自动USV面临着许多挑战，例如在复杂和危险环境的操作条件下，USV的GNC功能自动和可靠性有限，以及其传感器、执行器和通信功能易故障等都导致了有限的自主能力。为了最大限度地减少人为控制的需求和人为错误对有效、安全和可靠的USV运行的影响，需要进一步开发全自动USV。

借助更有效、更紧凑、商业上可获得和负担得起的导航设备，包括全球定位系统（global positioning systems，GPS）、惯性测量单元（inertial measurement units，IMU）和更强大可靠的无线通信系统，USV及其应用获得了前所未有的发展机会。USV在科学研究、环境任务、海洋资源勘探、军事用途等方面具有巨大的应用前景。USV的潜在应用见表4.1。

表4.1　USV的潜在应用(www.xing528.com)

在某些特定应用领域，USV与其他载人或者无人系统相比，其优势主要有以下几点：第一，与载人航行器相比，USV可以执行更长时间、更危险的任务；第二，由于没有机组人员在船上，维修成本更低，人员安全程度更高；第三，USV重量轻、体积小，可在大型舰船无法作业的浅水（河流和沿海地区）进行机动部署；第四，USV具有更大的潜在载荷能力，能够进行更深的水深监测和采样。USV的进一步发展有望产生巨大的效益，如更低的开发和运营成本、提高人员安全、扩大操作范围（可靠性）和精度、更高的自主性以及在复杂环境中增加灵活性。USV与其他系统性能比较见表4.2。

表4.2　USV与其他系统性能比较

USV未来的发展依赖于其智能化程度的发展，目标是使USV能够在没有人类干预的不可预测的极不规律环境中工作。这种智能化的发展是非常具有挑战性的，因为它反过来又要求USV要开发有效和可靠的子系统，这其中包括可靠的通信系统、合适的船体设计和强大的GNC策略。