無人艇操縱性與智能控制技術分析

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摘要：隨著技術迅速發展，無人艇操縱性能與智能控制技術逐漸趨于成熟，其體積小、隱蔽性強、航速高等特點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，比如在情報偵察、監視、反恐、掃雷等方面發揮著重要的作用，也受到了許多國家的重視。在不可預測的海洋環境中，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，因此需要加強無人艇的智能性來改善其工作的性能。本文主要針對無人艇操縱性與智能控制技術進行探究。

關鍵詞：無人艇；操縱性；智能控制技術

隨著人工智能的發展，無人艇技術也逐漸智能化，從機械自動舵發展成PID自動舵，后來發展為智能式自動舵[1]。無人艇技術在第二次世界大戰中就進行了使用，而其設計的最初目的是在沿海地區進行排雷或者是進行障礙物的清除，水面無人艇是一種新型智能水面機器人，能夠收集情報、掃雷、偵察、監視、搜救、導航等，也是許多國家重要的發展研究的產品。并且我國無人艇的研發與其他發達國家相比還存在一定的差距，但是面對未來發生在海上的沖突，可以降低士兵的生命危險，不必再潛入水中進行勘測。并且智能技術的使用也讓無人艇的自適應性、穩定性、魯棒性等控制性能上有了明顯的改善和提高。

1無人艇的發展背景

如今的科技發展十分迅速，就連戰爭也從以往兵刃相接的冷兵器時代轉化為如今的高科技戰爭，其中，無人艇領域就能夠占據其中的重要一部分，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十分重要的地位。無人艇的特點有很多，靈活、隱蔽性強、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。在現代中國的無人艇中有著著名的搭載了導彈武器的無人艇“瞭望者Ⅱ”，對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，更是搭載了先進的武器系統以及定位系統，是名副其實的“水下殺手”，為這艘無人艇提供技術支持和制造的云洲聯合西安現代控制技術研究所、華中光電技術研究所不僅僅為其設計了優秀的體積并且在其搭載了十分先進的定位系統，由于高精密雷達和自身優的成像系統，“瞭望者Ⅱ”無人艇不僅僅可以實現四枚導彈同時發射，而且能夠將射擊精度縮小在一米內，相較于普通的無人機以及無人車來說，水下無人艇的技術更為復雜，制造成本以及難度都很大，而正式由中國自主研發的水下無人艇的正式投入使用，不僅僅標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域的地位[2]。

2探究無人艇的內部營造

對于無人艇的設計來說，如何實現在有限的空間內實現更多儀器和提高其強度是一個嚴峻的問題，一個合理的結構可以保證其安全有效的進行作業，因此對于無人艇的結構設計需要付出相當的心血因此如何制造一種相對成本較低且實用性高的結構。就成為了需要解決的問題。而對于無人艇在水下作業而言。分層次的結構對其來說是為更好的結構。因此設計無人艇的專家們，進行了三層設計。對于無人艇來說，三層設計包含了對其發出指令的指示級，對其整體各個部分的零件以及感受器反饋的信號進行匯總及分析的協調級，對其命令進行的分配以及組織的組織級，這種分級結構的建立有助于調節無人艇在實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下降，而相反智能程度的增加，也會帶來無人艇精度的下降。這三種結構的存在就能夠在其一種結構失效時能夠由其他結構進行代替和工作。完美的解決了，在實際情況中一旦出現問題就不能運行的問題。這種結構我們稱之為混合式結構，而混合式結構的應用也能使無人艇像人類一樣能夠對所處的情況進行分析思考以及做出回應，因此無人艇可以擔任在許多情況中的危險任務。而其產生故障的概率大大降低，能夠使其擁有高適應能力的特點，在我國的軍事戰爭中有著不俗的作用，提升我國的軍事力量。

3無人艇智能運動控制系統

對于無人艇的運動來說，應當是智能的，由主要的智能控制中樞來進行對傳速航行方向，周邊環境以及航行姿態進行調整。由于所處環境的不確定行以及復雜程度較大，而對周邊的這些問題進行解決，只能靠混合式體系結構。對于無人艇的導航系統配備有慣性導航、GPS、水聲、導航雷達、測深儀、光學等設備。這些設備通常都各有優缺點[3]。故為聯合使用，用以提高探測的精準度，減少探測過程中的誤差。因此使用多設備探測數據融合的方法有利于提升導航精度，能夠有效的提升導航效率，對于少量設備提升自身精準度的方案難度較大，這和現有艦船的組合導航原理是一樣的。正是由于混合式體系結構的優良特點，能夠將多種傳感器以及探測器聲納等硬件完美的結合起來，而進行合理的分配以及調整收集數據進行分析，實現對外界環境的探測以及相應指令的安排。而且要實現無人艇智能運動控制，必然離不開高級計算機以及硬件的幫助，除此之外還需要更多的傳感器，導航設備，環境檢測設備，無線通訊設備等一系列的硬件設備，來維持其對外界環境的探測。而對于船舶本身的運動是具有無規律、大時滯、慣性大的特點，容易受到海風海浪等外界因素的干擾，無人艇的運動控制原理就是進行復雜的無規律、不確定性系統的控制。在水面上的艦船只需要自身架設螺旋槳和舵即可進行操控，屬于使用轉舵力矩和螺旋槳縱向推力，控制船身進行多方向的運動，屬于欠驅動系統。故為了實行無人艇的控制，總體上為船舶的控制系統加入理想的線性數學模型數據。但在實際的情況中，無人艇的的水動力系數并不是確定的值，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中，但實際情況中的風浪流干擾等因素對與控制系統的影響，至今還沒有找到合適的解決方案。尤其是在高海況下，各種海上因素擾動的集合，海內的阻力，進行數據測量誤差增大，對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，高海況下進行運動的幅度遠大于人為操控艦船，無人操控難度更大。主要表現在，大于3級海況后，船身的失速較為明顯，在航行過程中對航向角的保持困難，預定軌跡與標準航線產生較大的偏離。故需要進行多種海況模擬的控制模型，才能實現對無人艇的精準控制。但由于如今科技的局限性，還并不能完美的實現無人艇對外界環境判斷以及自身調整，未來在相關領悟升級的空間還是較為充足，期待在不久的將來無人艇的技術積累的更加豐富，能夠研發出更為智能的無人艇。

4無人機的通訊系統

對于無人艇的通信系統設立，在海上無人裝備的重要性就尤為明顯。由于無人船艇在進行無人控制時肯定需要與地面緊密的聯系。而通信過程的中斷，意味著無人艇失聯以及失去控制。因此，在出現無人艇的通信問題的時，為了對安全考慮，第一任務是進行停機，放棄對無人艇進行控制使其自由漂泊，原地等待通信修復。而如今的無人艇還不夠智能，尚不能進行遠程的自我返回。這在某種意義上來說，能夠實現有效通訊的范圍，就是無人艇執行任務時的屏障。而對于美國“海獵手”無人艇能夠實現全自主的執行任務，其密布全國的的地、天、海洋通信網絡多方傳輸，起到了非常關鍵的作用。對于傳統海上船舶進行通信時，位于海上的無線通信、衛星通信和陸地的移動通信共同組成了海洋通信網絡，能夠有效的實現語音、數據等多方信息傳輸。對于海上進行無線電通信網絡的成本雖然不高，但無限電的覆蓋范圍有限，并且容易受到海上天氣、磁場的影響；對于海上衛星通信網絡可以做到提供全球覆蓋，但其高昂的價格以及低速率的通訊有待優化;而蜂窩的通訊應用到海洋能提供高速率、低價格的通信服務，但其覆蓋范圍十分有限[5]。現如今，國家對于無人艇主要采用無線電進行通訊，但重點是5~10海里內的帶寬的可靠通信問題，對通訊的信號進行有效的安全的保障；同時，要考慮無人艇在通訊信號差的環境下，應具備實現自身的多方傳感器以及智能計算機的運用，在一定的時間內可進行安全、自主的航行。而對于中大型無人艇，需要進一步研究通訊問題[6]。

5無人艇的優勢

在不斷的戰爭中發展至今的無人艇也隨之變得更加的現代化、智能化，如今的戰爭主流更傾向于無人領域以及自動化、智能化的領域發展，針對于無人艇的作戰方式也就會有許多的領域供其進行軍事作業，對于無人艇的優點來說，無人駕駛及在水下的高機動行以及強隱蔽的特點受到許多下國家的青睞，對于我國的軍事領域的進步也有著重要作用，對于現代科技戰爭中的優點來說，其主要的優點有如下幾方面：首先，在偵察領域，無人艇可以說的上是其中的領頭軍，優異的機動力和不易被發現的隱藏手段，能夠使其在進行對島嶼、港口、海上分界線環境中大展拳腳，對其目標實行隱蔽的打擊，在現代的戰爭中有著重要作用。其次，在進行對地攻擊時，可以輔助對地人員進行攻擊，打亂敵人的防守線。再次，沒有駕駛人員的無人潛艇，不僅可以攜帶不同種類的武器，根據任務需要還可進行探查、搜尋等功能。最后，攜帶水下武器的無人艇也可以進行聯合行動，配合水面上的人員及武器裝備共同實現來聯合打擊，實現更加靈活的攻擊方式。

6結語

隨著科技的發展，各種工具的智能化、無人化的也成為當今社會的發展趨勢，無人艇相關技術可以用于邊防巡邏、海洋研究、海洋測量、天氣預報、海洋生物監測、搜索、營救、對爆炸裝置的探測等。無人艇在民用或是軍用方面都具有廣泛的運用前景，因此，需要繼續在無人艇的操縱性和智能性來進行探究，改善其工作的性能。

參考文獻

[1]黃惠霖.無人艇操縱性與智能控制技術[J].電子技術與軟件工程,2018(16):111.

[2]吳恭興.無人艇操縱性與智能控制技術研究[D].黑龍江:哈爾濱工程大學,2011.

[3]馬天宇.一種新型水面無人艇操縱性及協同策略研究[D].江蘇:江蘇科技大學,2015.

[4]司鴻翔.新型漁業輔助無人艇設計與性能初步研究[D].江蘇:江蘇科技大學,2018.

[5]王舜.無人艇直線路徑跟蹤控制的研究與實現[D].遼寧:大連海事大學,2017.

[6]鄒澤.基于互聯網的水面無人艇性能遠程實驗室的初步研究[D].江蘇:江蘇科技大學,2018.

作者：鄭國權 單位：嶺南師范學院