无人艇操纵性与智能控制技术分析

摘要：随着技术迅速发展，无人艇操纵性能与智能控制技术逐渐趋于成熟，其体积小、隐蔽性强、航速高等特点是有人驾驶的舰艇所不能相比的。无人艇还能完成一些特殊任务，比如在情报侦察、监视、反恐、扫雷等方面发挥着重要的作用，也受到了许多国家的重视。在不可预测的海洋环境中，无人艇要有灵活的操纵性能和精确的控制力来保证自身与其他船只的安全，因此需要加强无人艇的智能性来改善其工作的性能。本文主要针对无人艇操纵性与智能控制技术进行探究。

关键词：无人艇；操纵性；智能控制技术

随着人工智能的发展，无人艇技术也逐渐智能化，从机械自动舵发展成PID自动舵，后来发展为智能式自动舵[1]。无人艇技术在第二次世界大战中就进行了使用，而其设计的最初目的是在沿海地区进行排雷或者是进行障碍物的清除，水面无人艇是一种新型智能水面机器人，能够收集情报、扫雷、侦察、监视、搜救、导航等，也是许多国家重要的发展研究的产品。并且我国无人艇的研发与其他发达国家相比还存在一定的差距，但是面对未来发生在海上的冲突，可以降低士兵的生命危险，不必再潜入水中进行勘测。并且智能技术的使用也让无人艇的自适应性、稳定性、鲁棒性等控制性能上有了明显的改善和提高。

1无人艇的发展背景

如今的科技发展十分迅速，就连战争也从以往兵刃相接的冷兵器时代转化为如今的高科技战争，其中，无人艇领域就能够占据其中的重要一部分，无人艇的用处有很多，不仅仅是在深海探索中，在我国军事上的作用也占据十分重要的地位。无人艇的特点有很多，灵活、隐蔽性强、不需要要额外的驾驶员，能够有效的避免人员伤亡，受到许多国家的青睐。在现代中国的无人艇中有着著名的搭载了导弹武器的无人艇“瞭望者Ⅱ”，对于中国来说他有着十分重要意义，他不仅仅是作为中国的第一艘无人潜水艇，更是搭载了先进的武器系统以及定位系统，是名副其实的“水下杀手”，为这艘无人艇提供技术支持和制造的云洲联合西安现代控制技术研究所、华中光电技术研究所不仅仅为其设计了优秀的体积并且在其搭载了十分先进的定位系统，由于高精密雷达和自身优的成像系统，“瞭望者Ⅱ”无人艇不仅仅可以实现四枚导弹同时发射，而且能够将射击精度缩小在一米内，相较于普通的无人机以及无人车来说，水下无人艇的技术更为复杂，制造成本以及难度都很大，而正式由中国自主研发的水下无人艇的正式投入使用，不仅仅标志着我国巨大的科研力量，而且提升了中国的国际地位以及军事领域的地位[2]。

2探究无人艇的内部营造

对于无人艇的设计来说，如何实现在有限的空间内实现更多仪器和提高其强度是一个严峻的问题，一个合理的结构可以保证其安全有效的进行作业，因此对于无人艇的结构设计需要付出相当的心血因此如何制造一种相对成本较低且实用性高的结构。就成为了需要解决的问题。而对于无人艇在水下作业而言。分层次的结构对其来说是为更好的结构。因此设计无人艇的专家们，进行了三层设计。对于无人艇来说，三层设计包含了对其发出指令的指示级，对其整体各个部分的零件以及感受器反馈的信号进行汇总及分析的协调级，对其命令进行的分配以及组织的组织级，这种分级结构的建立有助于调节无人艇在实际情况中的各种问题。由于无人艇的精度一旦提高与之相反的智能程度就会下降，而相反智能程度的增加，也会带来无人艇精度的下降。这三种结构的存在就能够在其一种结构失效时能够由其他结构进行代替和工作。完美的解决了，在实际情况中一旦出现问题就不能运行的问题。这种结构我们称之为混合式结构，而混合式结构的应用也能使无人艇像人类一样能够对所处的情况进行分析思考以及做出回应，因此无人艇可以担任在许多情况中的危险任务。而其产生故障的概率大大降低，能够使其拥有高适应能力的特点，在我国的军事战争中有着不俗的作用，提升我国的军事力量。

3无人艇智能运动控制系统

对于无人艇的运动来说，应当是智能的，由主要的智能控制中枢来进行对传速航行方向，周边环境以及航行姿态进行调整。由于所处环境的不确定行以及复杂程度较大，而对周边的这些问题进行解决，只能靠混合式体系结构。对于无人艇的导航系统配备有惯性导航、GPS、水声、导航雷达、测深仪、光学等设备。这些设备通常都各有优缺点[3]。故为联合使用，用以提高探测的精准度，减少探测过程中的误差。因此使用多设备探测数据融合的方法有利于提升导航精度，能够有效的提升导航效率，对于少量设备提升自身精准度的方案难度较大，这和现有舰船的组合导航原理是一样的。正是由于混合式体系结构的优良特点，能够将多种传感器以及探测器声纳等硬件完美的结合起来，而进行合理的分配以及调整收集数据进行分析，实现对外界环境的探测以及相应指令的安排。而且要实现无人艇智能运动控制，必然离不开高级计算机以及硬件的帮助，除此之外还需要更多的传感器，导航设备，环境检测设备，无线通讯设备等一系列的硬件设备，来维持其对外界环境的探测。而对于船舶本身的运动是具有无规律、大时滞、惯性大的特点，容易受到海风海浪等外界因素的干扰，无人艇的运动控制原理就是进行复杂的无规律、不确定性系统的控制。在水面上的舰船只需要自身架设螺旋桨和舵即可进行操控，属于使用转舵力矩和螺旋桨纵向推力，控制船身进行多方向的运动，属于欠驱动系统。故为了实行无人艇的控制，总体上为船舶的控制系统加入理想的线性数学模型数据。但在实际的情况中，无人艇的的水动力系数并不是确定的值，而是随着外界因素的影响不断地变化，因此获得精确的数值较为困难。最近，在无人艇的最新研究中，新的鲁棒控制理论被植入到无人艇的控制系统中，但实际情况中的风浪流干扰等因素对与控制系统的影响，至今还没有找到合适的解决方案。尤其是在高海况下，各种海上因素扰动的集合，海内的阻力，进行数据测量误差增大，对无人艇的精确控制的难度较大[4]。特别是无人艇排水量不高，但航行速度快，高海况下进行运动的幅度远大于人为操控舰船，无人操控难度更大。主要表现在，大于3级海况后，船身的失速较为明显，在航行过程中对航向角的保持困难，预定轨迹与标准航线产生较大的偏离。故需要进行多种海况模拟的控制模型，才能实现对无人艇的精准控制。但由于如今科技的局限性，还并不能完美的实现无人艇对外界环境判断以及自身调整，未来在相关领悟升级的空间还是较为充足，期待在不久的将来无人艇的技术积累的更加丰富，能够研发出更为智能的无人艇。

4无人机的通讯系统

对于无人艇的通信系统设立，在海上无人装备的重要性就尤为明显。由于无人船艇在进行无人控制时肯定需要与地面紧密的联系。而通信过程的中断，意味着无人艇失联以及失去控制。因此，在出现无人艇的通信问题的时，为了对安全考虑，第一任务是进行停机，放弃对无人艇进行控制使其自由漂泊，原地等待通信修复。而如今的无人艇还不够智能，尚不能进行远程的自我返回。这在某种意义上来说，能够实现有效通讯的范围，就是无人艇执行任务时的屏障。而对于美国“海猎手”无人艇能够实现全自主的执行任务，其密布全国的的地、天、海洋通信网络多方传输，起到了非常关键的作用。对于传统海上船舶进行通信时，位于海上的无线通信、卫星通信和陆地的移动通信共同组成了海洋通信网络，能够有效的实现语音、数据等多方信息传输。对于海上进行无线电通信网络的成本虽然不高，但无限电的覆盖范围有限，并且容易受到海上天气、磁场的影响；对于海上卫星通信网络可以做到提供全球覆盖，但其高昂的价格以及低速率的通讯有待优化;而蜂窝的通讯应用到海洋能提供高速率、低价格的通信服务，但其覆盖范围十分有限[5]。现如今，国家对于无人艇主要采用无线电进行通讯，但重点是5~10海里内的带宽的可靠通信问题，对通讯的信号进行有效的安全的保障；同时，要考虑无人艇在通讯信号差的环境下，应具备实现自身的多方传感器以及智能计算机的运用，在一定的时间内可进行安全、自主的航行。而对于中大型无人艇，需要进一步研究通讯问题[6]。

5无人艇的优势

在不断的战争中发展至今的无人艇也随之变得更加的现代化、智能化，如今的战争主流更倾向于无人领域以及自动化、智能化的领域发展，针对于无人艇的作战方式也就会有许多的领域供其进行军事作业，对于无人艇的优点来说，无人驾驶及在水下的高机动行以及强隐蔽的特点受到许多下国家的青睐，对于我国的军事领域的进步也有着重要作用，对于现代科技战争中的优点来说，其主要的优点有如下几方面：首先，在侦察领域，无人艇可以说的上是其中的领头军，优异的机动力和不易被发现的隐藏手段，能够使其在进行对岛屿、港口、海上分界线环境中大展拳脚，对其目标实行隐蔽的打击，在现代的战争中有着重要作用。其次，在进行对地攻击时，可以辅助对地人员进行攻击，打乱敌人的防守线。再次，没有驾驶人员的无人潜艇，不仅可以携带不同种类的武器，根据任务需要还可进行探查、搜寻等功能。最后，携带水下武器的无人艇也可以进行联合行动，配合水面上的人员及武器装备共同实现来联合打击，实现更加灵活的攻击方式。

6结语

随着科技的发展，各种工具的智能化、无人化的也成为当今社会的发展趋势，无人艇相关技术可以用于边防巡逻、海洋研究、海洋测量、天气预报、海洋生物监测、搜索、营救、对爆炸装置的探测等。无人艇在民用或是军用方面都具有广泛的运用前景，因此，需要继续在无人艇的操纵性和智能性来进行探究，改善其工作的性能。

参考文献

[1]黄惠霖.无人艇操纵性与智能控制技术[J].电子技术与软件工程,2018(16):111.

[2]吴恭兴.无人艇操纵性与智能控制技术研究[D].黑龙江:哈尔滨工程大学,2011.

[3]马天宇.一种新型水面无人艇操纵性及协同策略研究[D].江苏:江苏科技大学,2015.

[4]司鸿翔.新型渔业辅助无人艇设计与性能初步研究[D].江苏:江苏科技大学,2018.

[5]王舜.无人艇直线路径跟踪控制的研究与实现[D].辽宁:大连海事大学,2017.

[6]邹泽.基于互联网的水面无人艇性能远程实验室的初步研究[D].江苏:江苏科技大学,2018.

作者：郑国权 单位：岭南师范学院