USV发展历程及重要里程碑-海洋智能无人系统技术

美国海军在许多年前就实施并成功测试了各种USV。USV最初是在第二次世界大战期间被研发用于军事的，当时主要用作火炮和导弹支架；而USV在教育和民用领域的部署是从20世纪70年代开始的。从20世纪90年代开始，许多重要的研究项目极大地促进了USV在任务能力和船舶自主性方面的发展，并且进一步提高了USV所能完成的任务数量，其中包括海洋探测、海岸线巡逻和环境监测任务等。本节将通过一个全面的概述介绍USV发展过程中重要的里程碑。

1）1950年之前

第二次世界大战是USV发展历史上的一个重要事件，因为USV的历史是从第二次世界大战开始的。COSMOX是第一种可编程USV，由于其固定的可编程穿越路线而被命名为“鱼雷”。虽然没有部署，但有一艘已经成功地建造并完成了测试工作。同时期美国海军开发和演示了多种“爆破火箭艇”，这种火箭艇是为清除浪区的障碍物而设计的。USV在战争中成功测试后，USV的应用领域扩展到了战后的放射性水域采样、监测以及远程操作设备等应用领域。第一代计算机和真空管用于计算的时候，机器语言是计算机设备所能理解的最低层次的编程方式。

2）1950—1970年

美国海军地雷防御实验室于1954年建造并成功测试了遥控扫雷艇，该项目用于防御。此后美国海军开发了一种远程控制的无人船，用于导弹发射和驱逐舰射击训练。美国海军还开发了一艘长15 ft的小型无人船（drone boat），这艘小型无人船在1965年越南战争中被投入使用。从计算机发展的角度来看，技术从第一代进步到第二代，真空管被晶体管所代替。1964年集成电路取代了第三代晶体管。

3）1970—1990年

这个时间段在USV的历史上非常重要，USV开始进行技术集成相关的工作。随着1970年代第四代计算机技术中微处理器的成熟，许多国家对无人扫雷系统（unmanned minesweeping systems，UMS）产生了兴趣，并开始开发测试和部署UMS。

STANFLEX具有尺寸为3 m×3.5 m×2.5 m（长×宽×高）的不锈钢外壳，其顶部覆盖有武器系统，而电子设备和机械则被固定在里面，其交换和接替时间为30 min。Troika的意思是三件套，所以这艘载人飞船可以部署三架无人机。OWLASHSEAOWL项目于1983年由Howard Hornsby从远程控制系统启动。OWLMKⅠ于1985年开发，在美国海军的努力下形成了国际机器人系统。

4）1990—2000年

20世纪90年代，USV在世界各地都得到了发展。ROV和ASV是海军感兴趣的领域。OWLMKⅠ被扩展，升级版本被称为OWLMKⅡ，也称为水文自动搜索车（autonomous search and hydrographic vehicle，ASH）。在取得成功后，国际机器人系统于1995年独立为NAVTEC公司。Roboski项目也是类似的，最初它是作为舰载部署地面目标（shipboard deployed surface target，SDST）开发的，但目前只是一个侦察航行器试验台。这些系统与船的大小相同，OWLMK和Roboski的外表就像一艘汽船。1990年后期，OWLMKⅡ改进了侧扫声呐和摄像机，在波斯湾投入使用。USV在海上安全领域成功实施之后，国际科学应用公司（Science Application International Corporation，SAIC）提出了小型USV的概念。

在麻省理工学院海洋基金项目支持下，自动水面舰艇（autonomous surface craft，ASC）于1993年开发。第一艘ASC被命名为ARTEMIS。这艘船是一艘拖网渔船的比例复制品，作为一个平台，能够测试ASC。该ASC随后被用于收集马萨诸塞州波士顿查尔斯河的简单水深数据。ARTEMIS的主要缺点之一是体积小，这限制了它的耐力和耐波性。ARTEMIS的野外行动仅限于查尔斯河，对科学价值有限。为了生成具有更强大功能的ASC，研究人员研发了kayak平台并将其转换为ASC。这个新航行器在查尔斯河上进行了一系列的试验，并被安装了声学跟踪系统，用来跟踪带标签的鱼。

图4.1　麻省理工学院的AutoCat

ARTEMIS的下一步计划是开发一个小尺寸船只，能像一艘小型有人驾驶船舶一样具有多功能性，新的ASC——自主沉海勘探系统（autonomous coastal exploration system，ACES）在1996年和1997年完成开发，1997年夏天在格洛斯特市进行了实地测试。在完成这些测试后，其配备了适合进行水道测量的传感器，并于1997年12月在波士顿港成功地完成了测量。1998年1月，ACE回到实验室进行机械系统重大升级。修改和设计迭代后的版本在2000年夏天进行了测试。升级后的ASC平台如图4.1所示，被重新命名为AutoCat。

5）2000—2010年

美国海军在专注于USV之前就开始了在AUV方面的研究。USV位于水面的特殊性使得其可以进行水面无线电及水下声学传输，因此它们成为未来网络化战场场景中的一个关键组成部分。在海军应用中，作为网络节点的USV进一步发展。在成功装备有日间和热摄像机的OWLMKⅡ之后，美国开发了一艘名为SPARTAN的7 m长的USV，能够携带1 400 kg的有效载荷。该项目在2001年和2003年末进行了演示。自2000年以来，USV的制造规模不断扩大，各种机器人和船舶制造公司在USV和AUV领域均取得了领先地位。SPARTAN SCOUT实物如图4.2所示。

2001年，美国国防部测试了名为空投便携式搜索救援船（searchand rescue portable，air-launchable，SARPAL）的遥控船。这艘船的设计允许其在危机现场从C130飞机上通过降落伞投送。其实物如图4.3所示。

图4.2　SPARTAN SCOUT

图4.3　SARPAL

2004年，日本雅马哈公司开发了两种型号的USV，分别命名为UMVH和UMV-O。UMV代表无人驾驶船，H代表高速，O代表海洋中的上帝。这两种航行器都可以作为有人或无人驾驶。第一艘UMVOKANChan于2003年交付给了日本科学技术局。

2005年，国际科学应用公司研制了两艘高速无人水面舰艇，最大航速可达40 kn以上。

图4.4　Stingray

以色列海军使用名为Stingray的USV，它是自动和远程控制的结合。该USV是为海岸警卫队的应用而设计的，Stingray的实物如图4.4所示。

瑞典KOCKUMS AB造船厂研发了名为Piraya的USV。2009年10月，该公司展示了四款原型机。据该公司网站称，该项目是其中之一，因为多个Piraya可以由单人操作，甚至可以自主移动。这些船体积小，很难被雷达探测到。Piraya的实物如图4.5所示。

在2010年底，许多报纸称USV为浮动齿轮，因为齿轮是使船舶在运行时操作更便利的支撑装置。USV是船舶的齿轮，为船舶提供支撑。在这段时间里，出于不同的目的，大多数造船厂和国防组织都在开发他们自己的无人潜艇。2005年，以色列Rafael公司开发了USV，名为Protector。Protector配备了“微型哨兵”武器系统，这是世界上最好的海上资产之一。

图4.5　Piraya

同时，科研人员也在USV研究上有所突破。图4.6显示了麻省理工学院在查尔斯河上开发的三艘kayak USV。图4.7显示了这些相同的USV在AUV旁边提供了移动导航参考。(www.xing528.com)

图4.6　三艘kayak USV在一个网络中运行

图4.7　联合试验时甲板上的USV和AUV

海军中USV已被开发用于其他军事应用，如港口安全或扫雷。通常，这些USV是由传统的水面舰艇改装而来的，如刚性充气船等。几乎任何一艘小型船只添加控制、导航和遥测系统后都可以成为一艘USV。大多数情况下，这些设备是由岸上或其他船上的船员遥控的。这达到了使人远离危险环境出来的重要目的，但并不一定能减少人员数量。这些系统虽然可以无人驾驶，但它们对遥测技术的依赖使它们更像ROV，而不是USV。

虽然一些军事应用已经将USV的研究重点转移到复杂的网络和行为中，但其他应用仍然集中在传统的需求上。USV在商业和科学研究领域已经得到了广泛的应用。USV对于枯燥乏味的持续性任务来讲，以监督控制的方式执行可以极大程度上解放船员们。在此类应用环境中，操作员通常负责规划路径点，而具体船体的运动则由计算机进行控制。从理论上讲，这种方法允许一个操作员监视多个USV，从而极大程度地提升了单一人员的工作能力。

图4.8　ROAZⅡUSV

在学术研究需求推动下，许多双体船型USV被开发出来。一种意大利双体船USV名为SESAMO，在南极洲被用来执行海洋研究相关工作。双体船具有高稳定性、大有效载荷能力和高甲板通道便利性的优点，这使其成为学术型USV的一个很好选择。葡萄牙研发的ROAZ像SESAMO一样，佐证了双体船应用方案。图4.8显示了支持勘测和AUV网络应用的ROAZⅡUSV。

虽然这些小型双体船平台有一定的优势，但它们在商业勘测应用中被更有价值的设计所替代。C&C技术公司与ASV有限公司合作开发了一种用于水文测量的半潜式平台，如图4.9所示。这种设计源于小水线面双船体（small waterplane area twin hull，SWATH），但只使用单一船体。USV的大部分在水下，只有一个通讯桅杆和进气口突出水面。这种设计可以使USV使用内燃机推进系统，具有大有效载荷容量和良好的被动稳定性。C&C技术公司具有将AUV用于商业和科学勘测的相关经验，对该USV的类似应用表示乐观。

图4.9　一种用于勘测的新USV设计

图4.10　UOV公司USV原型船

随着USV的普及，长期部署USV的愿景推动了技术创新。所有海洋“可再生能源”的主要来源都在开发之中，风能、太阳能甚至波浪能被用来驱动USV原型。小型公司正在开发风力和波浪驱动的USV。无人海洋船舶（umanned ocean vehicles，UOV）公司已经开发出无人帆船的原型，船体长度15～27 ft不等，并且配备了刚性帆和太阳能电池的船载动力。图4.10的原型船展示了自主操作、无线通信、发电和传感器数据收集能力。它是系统集成和实验的实验台，可选择机翼和风帆配置及控制机制。因为这些成果，UOV公司获得了美国海军海上系统司令部的一个二期小型合同业务。

图4.11　波浪滑翔机USV

虽然帆船已有数百年的历史，但一项新技术已经出现。Liquid Robotics公司开创了一种利用波浪的能量来满足推进需求的USV。太阳能电池板为船载电子设备提供动力，使其具有极长的续航能力。波浪滑翔机的原型已经进行了142天的测试，在这期间航行了2 500 n mile。在这次几乎持续不断的测试中，USV表现出了出色的性能。如图4.11所示，这种新方法的USV呈现了一种最小化体积的方案，该方案使这个平台在长期监测中具有非常大的应用潜力。它的长续航能力和可扩展的有效载荷能力使它很可能成为许多科学应用的候选。

6）2010年至今

基于太阳能的USV改进型是由弗吉尼亚州的公司研制的。该型USV可自行部署，并长期为传感器提供电源。这些船舶因为其可以自动在海上长时间收集数据而适合用于研究目的。2012年，Rafael公司公开表示该公司正在研制新型Protector，该型号将提升现有的武器射程。

Sea Fox项目有两个重要组成部分，一个是AUV，另一个是USV。USV通过远程操作，装载有监测水体所需的各类传感器。该型USV装备的相机能够捕捉日光图像和微光图像。船上装有遥控装置。这艘船的最大特征是其摄像机具有稳定性。2002年，研发人员成功对其进行了测试，其实物如图4.12所示。

2015年，海洋应用物理公司对格林洛夫高级救援船（Greenough advanced rescue craft，GARC）载人或无人多用途艇进行了测试，该型船可以在恶劣条件下工作。其官方网站称这些船只在日本嘉手纳进行了30 ft海浪下的测试。船只通过了Airdrops认证，可以进行空投作业，并且可以在热流中工作。其实物如图4.13所示。

图4.12　Sea Fox

图4.13　GARC

日本雅马哈公司在2017年改进了其农业USV Water Strider，用于远程控制除草剂喷洒工作。其实物如图4.14所示。

图4.14　USV Water Strider

随着USV续航时间的不断提升，可以展望海洋观测的新时代。USV协同将取代旧有的技术手段。有人船只将停靠在理想的泊位上，同时在岸上维修替换船只，并不断替换USV机组值班。同时，协同的USV小组可以在指引下深入研究海洋的实时情况。这样的研究方式有利于军事和科学任务的进行，同时采用远程USV执行任务可以有效地降低成本。USV持续发展对重塑海洋科学和国防的潜力是显而易见的。图4.15概述了一些关键的USV原型及相应的导航系统。