無(wú)人艇技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用歷史已逾80年，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、自動(dòng)控制、信息技術(shù)、動(dòng)力與能源技術(shù)、材料技術(shù)、人工智能等高新技術(shù)的日益發(fā)展，無(wú)人艇應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤卣梗尸F(xiàn)出綜合化發(fā)展的良好態(tài)勢(shì)。無(wú)人艇的發(fā)展目標(biāo)已經(jīng)由完成某些特定任務(wù)，向擁有智能決策、群體協(xié)同能力邁進(jìn)。綜合國(guó)內(nèi)外無(wú)人艇技術(shù)研究現(xiàn)狀及未來(lái)需求，無(wú)人艇關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展將呈現(xiàn)四個(gè)主要趨勢(shì)。
無(wú)人艇關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)一：載體設(shè)計(jì)技術(shù)
（1）總體采用模塊化設(shè)計(jì)和開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)，降低研發(fā)成本，兼具執(zhí)行多種任務(wù)的能力。
模塊化設(shè)計(jì)和開(kāi)放式體系是分別設(shè)計(jì)系統(tǒng)的不同組件，將系統(tǒng)細(xì)分為較小的部分的方法，這些部分可以獨(dú)立搭建，然后在不同的系統(tǒng)中用于執(zhí)行多個(gè)功能。目前，各國(guó)開(kāi)發(fā)的無(wú)人艇幾乎都采用了模塊化設(shè)計(jì)和開(kāi)放式體系架構(gòu)。可根據(jù)不同的作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行不同的功能組合。整個(gè)設(shè)計(jì)是高度模塊化的，可以根據(jù)所需任務(wù)、有效負(fù)載或環(huán)境條件來(lái)替換或修改每個(gè)模塊。例如美軍研發(fā)的斯巴達(dá)偵察兵號(hào)無(wú)人艇，技術(shù)成熟的模塊囊括了監(jiān)視和偵察、反艦作戰(zhàn)、排除水雷、反潛、目標(biāo)打擊等模塊，可在一個(gè)小時(shí)內(nèi)利用“即插即用”型任務(wù)模塊完成一艘基本版斯巴達(dá)偵察兵無(wú)人艇裝配。模塊化設(shè)計(jì)和開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)提高了無(wú)人艇研發(fā)進(jìn)度和功能的多樣性，同時(shí)有效降低了科研成本。
（2）任務(wù)驅(qū)動(dòng)的高性能、新概念艇型設(shè)計(jì)層出不窮，無(wú)人艇的載體性能得到顯著提升，并演變出更多新功能。
當(dāng)前無(wú)人艇的載體構(gòu)型，仍以滑行、排水、多體、水翼、半潛等五類艇型為主。但是隨著軍民領(lǐng)域?qū)Ω咝阅艿牟粩嘧非螅瑢?duì)新需求、工作域的逐漸擴(kuò)展，導(dǎo)致常規(guī)無(wú)人艇型，已較難滿足或適應(yīng)高性能、新任務(wù)對(duì)載體的苛刻需求。比如，研究可變結(jié)構(gòu)、多航態(tài)的載體，提升隱蔽性或高海況生存能力；研制具備海陸兩棲航行能力的復(fù)合型載體，以應(yīng)對(duì)島礁、瀕海任務(wù)需要；探索具備水下、水面、空中跨域適應(yīng)性的新型航行器，以適應(yīng)隱蔽潛行、快速突防的需要；研究具備高海況甚至全海況安全航行、超長(zhǎng)航時(shí)續(xù)航能力的大型/多體載體，以執(zhí)行反潛、有人/無(wú)人協(xié)同作戰(zhàn)等使命。總之，推動(dòng)無(wú)人艇工作空間從單域向多域、跨域發(fā)展，工作時(shí)間從局部短期向廣域長(zhǎng)航時(shí)發(fā)展，環(huán)境耐受性從低海況向高海況發(fā)展，將是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。
（3）研發(fā)續(xù)航持久高效的動(dòng)力系統(tǒng)，提高無(wú)人艇的活動(dòng)半徑和續(xù)航能力。
在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)人艇主要執(zhí)行環(huán)境監(jiān)測(cè)、情報(bào)搜集、海域監(jiān)視以及反水雷等任務(wù)，要求無(wú)人艇具有出色的續(xù)航能力。目前，已經(jīng)有國(guó)家著力研究長(zhǎng)航時(shí)的無(wú)人艇。例如，美國(guó)開(kāi)發(fā)的SD 1021號(hào)和海上獵手號(hào)無(wú)人艇，英國(guó)研發(fā)的C-Enduro號(hào)無(wú)人艇等利用多種動(dòng)力提高續(xù)航能力。
根據(jù)目前技術(shù)，主要從能源技術(shù)方面提高無(wú)人艇續(xù)航能力，例如用高性能電池、高能比燃料和新型能源等增大動(dòng)力系統(tǒng)提供的能量。此外，基于太陽(yáng)能、風(fēng)能和波浪能等海洋能捕獲技術(shù)，開(kāi)發(fā)海洋能驅(qū)動(dòng)的新型無(wú)人艇，并成功獲得了工程應(yīng)用，在這方面民用領(lǐng)域的研究最為活躍。
無(wú)人艇關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)二：先進(jìn)材料技術(shù)
先進(jìn)材料技術(shù)將有可能為無(wú)人艇提供更輕、更堅(jiān)固、更隱身的基礎(chǔ)平臺(tái)。先進(jìn)材料是指能夠提供物理或功能方面高性能、新屬性的材料。先進(jìn)材料技術(shù)在無(wú)人艇上的應(yīng)用體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）電磁隱身。導(dǎo)電納米棒分散于液晶超結(jié)構(gòu)中的可調(diào)超材料結(jié)構(gòu)體能夠吸收和反射電磁能量，可以幫助無(wú)人艇獲得期望的隱身效果。
（2）艇型優(yōu)化。一種名為納米工程電活化表面的材料有可能實(shí)現(xiàn)船殼的變形，在作戰(zhàn)時(shí)艇體的形變將改變艇體的空氣動(dòng)力、水動(dòng)力和聲傳播（吸收）效率等。
（3）電子設(shè)備小型化。分子電子材料技術(shù)的應(yīng)用不僅可以提高設(shè)備的可靠性和降低成本，而且可以減輕重量并減少耗電量。設(shè)備小型化帶來(lái)最大的好處就是可以增加更多的負(fù)載，無(wú)人艇的多功能性更強(qiáng)、綜合性能更佳[15,16,17,18]。
無(wú)人艇關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)三：自主控制技術(shù)
鑒于無(wú)人平臺(tái)特性，自主控制技術(shù)一直是非常重要的研究方向。目前較為成功的自動(dòng)控制系統(tǒng)有以色列銀色馬林魚(yú)號(hào)、黃貂魚(yú)號(hào)無(wú)人艇搭載的自動(dòng)舵手系統(tǒng)，這是一套具有高度自適應(yīng)性和決策能力的智能決策專家系統(tǒng)，能夠根據(jù)所處任務(wù)環(huán)境和執(zhí)行任務(wù)的種類自主完成無(wú)人艇的控制。
（1）高新技術(shù)驅(qū)動(dòng)自主等級(jí)不斷提升，環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)、支持任務(wù)更復(fù)雜。
隨著博弈論、智能決策、控制論、機(jī)器學(xué)習(xí)、群智優(yōu)化等先進(jìn)技術(shù)及新方法的不斷涌現(xiàn)，并與無(wú)人艇進(jìn)行有效融合，將逐漸突破高級(jí)任務(wù)決策、快速路徑規(guī)劃、自主多動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)規(guī)避、敏捷運(yùn)動(dòng)控制等核心算法，推動(dòng)無(wú)人艇的自主等級(jí)不斷提升。
目前美國(guó)開(kāi)發(fā)了一套成熟的海上自主導(dǎo)航系統(tǒng)，主要融合了人工智能、三維數(shù)字成像和傳感器融合技術(shù)，顯著提高了無(wú)人艇單獨(dú)執(zhí)行任務(wù)或與其它平臺(tái)協(xié)同作業(yè)時(shí)的自主能力。可以預(yù)見(jiàn)人工智能技術(shù)、先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)和新型信息處理技術(shù)的融合應(yīng)用，將會(huì)是未來(lái)無(wú)人艇自主控制技術(shù)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。
（2）面向?qū)崙?zhàn)注重多平臺(tái)、跨平臺(tái)組網(wǎng)，提高協(xié)同化作戰(zhàn)能力。
考慮到未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)將是海陸空天多維一體作戰(zhàn)的模式，無(wú)人艇與其它有人或無(wú)人平臺(tái)協(xié)同作戰(zhàn)是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。從技術(shù)角度講，如果采用相同的標(biāo)準(zhǔn)和開(kāi)放式體系架構(gòu)設(shè)計(jì)，無(wú)人艇就可以同其它有人/無(wú)人平臺(tái)共享信息、載荷，從而與作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)中的其他平臺(tái)無(wú)縫連接，使得這些平臺(tái)能夠在網(wǎng)絡(luò)的支持下集成一個(gè)整體，實(shí)施多維、一體化作戰(zhàn)。目前，美、以、俄、英和中國(guó)均在積極開(kāi)展相關(guān)研究與實(shí)踐。
無(wú)人艇關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)四：環(huán)境感知技術(shù)
無(wú)人艇的環(huán)境感知技術(shù)主要包括光視覺(jué)、雷達(dá)、紅外以及水聲等感知手段。環(huán)境感知技術(shù)是實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇自主航行、自主作業(yè)的基礎(chǔ)，也是無(wú)人艇具備智能特征的關(guān)鍵。
（1）多傳感器信息融合處理，提供實(shí)時(shí)精確的環(huán)境感知信息。
環(huán)境感知領(lǐng)域的信息和判斷可以作為無(wú)人艇控制和規(guī)劃的依據(jù)，環(huán)境感知信息來(lái)源也不再局限于單個(gè)傳感器的輸入，將相機(jī)和雷達(dá)、水聲及紅外等其他傳感器信息融合的技術(shù)也為無(wú)人艇環(huán)境感知技術(shù)開(kāi)辟了新的道路，但當(dāng)前仍存在許多研究難題，包括克服各個(gè)傳感器的缺點(diǎn)，提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的環(huán)境感知信息等，毫無(wú)疑問(wèn)多傳感器信息融合是未來(lái)無(wú)人艇環(huán)境感知的關(guān)鍵技術(shù)。未來(lái)無(wú)人艇的環(huán)境感知、決策控制和作業(yè)技術(shù)將更加深入融合。
（2）水面圖像的增強(qiáng)復(fù)原研究，在復(fù)雜惡劣天氣條件下獲取失真度低的環(huán)境信息。
無(wú)人艇需要在雨、霧、雪、浪等惡劣天氣下開(kāi)展工作，這些工作環(huán)境使得水面圖像模糊不清，圖像的質(zhì)量退化，一些關(guān)鍵信息存在丟失或損壞。需要建立一種滿足惡劣天氣環(huán)境的水面圖像增強(qiáng)復(fù)原機(jī)制，根據(jù)外界環(huán)境自適應(yīng)對(duì)圖像進(jìn)行復(fù)原，保留圖像的關(guān)鍵信息，并滿足水面圖像目標(biāo)信息獲取的實(shí)時(shí)性要求。
（3）傳統(tǒng)感知算法和深度學(xué)習(xí)感知算法的融合研究。
傳統(tǒng)的感知算法具有理論性強(qiáng)、應(yīng)用廣和可靠性高的特點(diǎn)，深度學(xué)習(xí)的感知算法具有魯棒性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)。可以融合傳統(tǒng)算法和深度學(xué)習(xí)算法，即克服傳統(tǒng)算法魯棒性低、準(zhǔn)確度低和深度學(xué)習(xí)算法需要大量數(shù)據(jù)、人工標(biāo)注等缺點(diǎn)，構(gòu)建擁有兩種算法優(yōu)勢(shì)的感知框架，提高無(wú)人艇的環(huán)境感知性能。
隨著無(wú)人艇技術(shù)日趨完善、運(yùn)維成本不斷降低，可望在科考、測(cè)繪、運(yùn)輸、勘探、救援等任務(wù)場(chǎng)景獲得大量應(yīng)用。軍用無(wú)人艇作為未來(lái)海戰(zhàn)場(chǎng)的重要節(jié)點(diǎn)，大型化、智能化、功能及隱身化將是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，各種高性能、新型無(wú)人艇也將不斷涌現(xiàn)。
來(lái)源：《無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)》張偉 1,2廖煜雷 1姜峰 2趙鐵軍 2
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