一、国内外研究现状
二、现有收放技术对比
三、收放技术的发展方向
四、结语
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无人水面艇收放技术发展趋势探讨
2020-08-28 14:21:00 来源：
作者：张晓东、刘世亮、刘宇、胡晓芳、高超，分别来自海军工程大学舰船与海洋学院和中国舰船研究设计中心
随着科学技术的迅速发展和对无人系统认识的不断深入，无人水面艇（USV）在导航、巡逻、探测、搜救、反潜战、反舰战、电子战、海上拦截、水雷对抗等领域的应用潜力日渐凸显。各国不断加大对USV的研发力度，使其进入了一个快速的发展阶段。然而，与USV相匹配的布放回收（以下称“收放”）技术却处于相对滞后的状态。在实际应用中，USV收放过程的自动化程度越高，进入工作状态越快，其任务执行的成功率就越能得到保证，而母船携带更多USV参与任务就更有意义。从此发展趋势看，应加强对USV收放技术发展方向的分析研究，以便能准确把握未来USV收放技术发展的核心方向，为开展具体研究奠定基础。
目前，小艇收放装置操作需要有人负责驾驶小艇及解挂钩等辅助操作，难以适应舰船处于高航速、高海况时的需求，这不仅将耗费大量的时间，而且还增加了人员操作时的危险性。因采用的是无人随艇航行方式，故现有成熟的载人小艇收放装置不能直接应用于USV收放过程。在USV收放技术方面，国内外尚未形成统一的认识，现有收放装置虽然各具特色，但未出现性能特别突出的类型。因此，本文将结合国内外发展现状，充分调研现有载人小艇收放技术，在此基础上，提出安全可靠、迅速高效、能够适应更高航速和海况且自主化程度更高的USV收放技术。
USV收放技术是将其快速、安全地部署到水面并高效、可靠地回收到母船的技术。国外早在上世纪就开始了USV收放技术的可靠性和安全性研究，现阶段，各国对该技术更加重视。从国内外USV收放技术的发展现状来看，主要研究方向包括吊放式收放技术、艉滑道式收放技术和坞舱式快速收放技术。表1和表2所示为当前国内外USV收放技术的研究现状。美国在该领域处于领先地位，在适应海况、航速等方面均比国内领先。
表1 典型的吊放式收放技术
表2 典型的艉部滑道式收放技术
1. 吊放式收放技术
吊放式收放技术广泛应用于各种舰艇、民用船舶和其他特种船舶中，其技术已相对成熟。吊放式收放技术包括单吊点和双吊点两种。单吊点技术一般适用于长度不超过7.5m的小艇，因其可靠性高、操作简单，日益受到重视；双吊点技术起吊小艇时稳定性更好，但操作困难，危险性高，更适合长度超过7.5m的小艇。国外大型舰船上最常采用3种吊放式收放装置，包括回转式、A架式和伸缩式，如表1所示。其中，德国GlobalDavit公司开发的吊艇架式工作艇收放系统为典型的回转式系统，该系统由绞车、离心制动器和防护等级为IP56的电动机等组成，适用于重量为15～36kN的USV，如图1（a）所示。
美国5G海洋国际公司基于母船上现有的吊艇架，正在研究浮动托架式吊放技术，该收放系统的未来设计方向是成为一种集自动收放、海上补给于一体，适应多种无人系统、多任务需求的综合服务平台；挪威Vest Davit公司研制的HN型双吊点吊艇架为典型的A架式收放系统，其收放装置的吊钩距离可调，并设计有独立的波浪补偿系统和自动调平双卷扬系统，如图1（b）所示；此外，VestDavit公司还开发出了伸缩式TDB型吊艇架，该吊艇架配置有自主研制的动态减震器，提供了可供选择的波浪补偿绞车、拉索器、限位开关和遥控器，并有液压和全电动2种型号，如图1（c）所示。国内吊放式USV收放技术研究起步较晚，典型的研究项目有上海大学设计的托架配合吊艇架收放装置，该装置主要是在现有载人艇吊放式收放装置的基础上开展研究，使其能适用于USV收放作业。
（a）舷侧回转式吊艇架
（b）舷侧A架式吊艇架
（c）舷侧伸缩式吊艇架
（d）艉部伸缩式吊艇架
图1 吊放式收放技术
吊放式收放技术按照吊放位置分为舷侧吊放和艉部吊放2种方式。如图1（a）、图1（b）和图1（c）所示，舷侧吊放技术需要在母船舷侧设置吊艇架、小艇存放架（如需要）、艏部牵引索等装置，并需要登艇设备以便于人员登上USV完成辅助挂钩操作等。该收放设备既可设置在舱内，也可设置在露天部位。图1（d）所示为美国“独立”号濒海战斗舰艉部伸缩臂式收放系统，该系统在伸缩吊臂下方设置了具有多个吊点的浮动托架。在回收时，USV驶入浮动托架，对接锁定装置将二者固定，然后跟随浮动托架一同吊起；在投放时，USV跟随浮动托架放入水中，由对接锁定装置释放，然后倒航驶出。采取该方式收放作业需要人工辅助遥控操作USV驶入浮动托架，而收放设备设置在舱内，并用艉门遮挡存放。
2. 艉滑道式收放技术
艉部滑道收放技术主要应用在各种舰艇、公务船和外贸船上，包括单滑道系统和双滑道系统，如表2所示。早在1997年，美国“海上猫头鹰”USV就完成了滑道式收放的工程应用方案。为配合濒海战斗舰的作战使命，该技术被广泛应用于扫雷载具领域。美国物理科学公司开发了一种通用型艉滑道收放系统，可在母船航速为15～20kn时实现载人艇、USV和无人水下机器人（UUV）的收放操作。该系统的传送滑道安装有可展开、大间隔的弹性皮带，既可在母船艉部水下工作时有效降低阻力，也可让USV在弹性皮带上柔性登船。荷兰MarineSystems公司与德国GlobalDavit公司合作研制了一种新型艉滑道收放系统，该系统主要包括控制单元、起落架式坡道和拖曳体，可在4级海况下实现USV的安全收放，如图2（a）所示。法国研制的OPV90近海巡逻舰为艉部双滑道式系统的典型应用案例，如图2（b）所示。
（a）艉部单滑道
（b）艉部双滑道
图2 艉滑道式收放技术
目前，国内艉滑道式载人小艇收放技术较为成熟，并已形成单滑道系统、双滑道系统等不同系列设计。然而，为满足USV的发展趋势和吊放需求，还需在此基础上开发出适合USV的艉部滑道收放技术。艉滑道式收放技术通过滑道系统实现USV的收放作业。在回收时，USV将选择合适的冲排时机，并以高于母船的航速冲入艉部滑道，由滑道前方的阻拦索与艇艏挂钩机构自动挂接，阻拦缓冲机构则吸收USV冲排时的动能，让其在短距离内受到阻拦而停止，从而实现USV的回收。在释放时，USV的电控机构自动打开挂钩，此时艇艏与阻拦索分离，USV依靠自重下滑至水面。若外部风浪较大，此时可采用阻拦张紧装置将USV推送至距水面较近的位置，然后由其自由下滑。该收放形式需人工辅助遥控操作以克服尾流影响，并对准收放装置冲入滑道。此收放设备既可设置在舱内，也可设置在露天部位。
3. 坞舱式快速收放技术
关于利用坞舱搭载USV的技术，现有研究认为需针对坞舱开发适用于USV的快速收放系统，包括托架式和滑道式。该收放技术应具有多样化的特点，并与其他收放技术相比易于实现。国内外暂无在坞舱内快速收放USV的应用案例。
坞舱托架式收放系统是将USV存放在坞舱内的托架上，出舱前先打开舱门向舱内注水，此时托架上的USV浮起，然后再打开锁定装置，遥控其驶离托架便可完成布放，而回收过程与此相反。坞舱滑道式收放系统则是在坞舱内设置倾斜滑道，回收时打开舱门向舱内注水，系统的USV只需驶入倾斜滑道便可通过牵引绞车等多种方式实现回收，而布放过程则仅需从滑道滑入水中即可。该收放系统可借鉴图3所示的载人小艇收放装置，其收放设备布置在舱内，可用艉门遮挡存放。
图3 坞舱式快速收放技术
如前所述，目前USV主要有3种收放技术。下文将从设备配置、空间需求、波浪影响（主要分析横摇和纵摇影响）、母船航速、适应海况、操作情况、收放耗时等方面对3种USV收放技术进行对比分析。
⑴设备配置
舷侧吊放式收放技术、艉部伸缩臂吊放式收放技术、艉滑道式收放技术、坞舱式快速收放技术均需根据技术需求配置相应的成套设备（表3），若设备采用舱内布置，还需要设置遮蔽装置。
表3 收放技术对比
⑵空间需求
舷侧吊放式收放设备既可布置在舱内，也可布置在露天部位，采用舱内布置时需要在舷侧设置开口；艉部伸缩臂吊放式收放设备布置在舱内，需在母船艉部设置开口；艉滑道式收放装置既可布置在舱内，也可布置在露天部位，但需在母船艉部设置开口；坞舱式快速收放设备布置在舱内，需要在船艉配置大型坞舱，且对船体结构有着特殊要求。
⑶波浪影响
USV在波浪作用下会产生包括横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇及艏摇的六自由度运动，其中横摇、纵摇对收放过程的影响最大。舷侧吊放式收放技术主要受母船的兴波和海浪影响，二者叠加后产生的剧烈横摇可能会使USV撞上母船，而纵摇则给人工解/挂钩带来较大难度；艉部伸缩臂吊放式收放技术主要受母船尾流和海浪影响，横摇会妨碍USV对准托架，纵摇可能会使USV与托架分别处于波峰和波谷中，不仅使USV进入托架变得困难，而且给快速脱钩装置锁定或释放USV造成障碍；艉滑道式收放技术也主要受母船尾流和海浪的影响，横摇会妨碍USV对准艉部滑道，而剧烈的纵摇可能会使母船艉部升起、离开水面，使USV进入滑道时存在较大难度；波浪对坞舱式收放技术的影响相对较小，一旦USV驶入坞舱，便可关闭艉门，在坞舱内部通过人工辅助操作实现收放，可最大限度地降低波浪对收放过程的影响。
⑷航速影响
舷侧吊放式收放过程不适宜在母船高航速下进行。在布放过程中，当USV刚入水时，在缆索的拖拽下可能会造成艇体倾覆。在回收过程中，当USV为完成挂钩而减速，在速度不匹配时，仍可能出现拖带导致倾覆的风险。艉部伸缩臂吊放式收放技术在母船航速过高时会增加USV对准驶入托架的难度；艉滑道式收放技术在母船航速过高时会增加USV对准驶入滑道的难度；坞舱式快速收放技术仅需USV驶入坞舱，其收放作业可在舱内完成，对母船航速适应性更好。
⑸适应海况
舷侧吊放式收放技术由于受风浪影响较大，难以适应高海况下的收放作业；艉部伸缩臂吊放式收放技术和艉滑道式收放技术受风浪影响较小，可在较高海况下完成收放作业；坞舱式快速收放技术受风浪影响更小，可适应更高海况下的作业。
⑹操作方式
舷侧吊放式收放技术由于受到航速、海况等因素影响较大，仍需人工遥控USV驶入指定位置后再进行解挂钩操作；艉部伸缩臂吊放式收放技术受海况等因素影响较大，需人工遥控USV对准驶入托架；艉滑道式收放技术受波浪影响较大，需人工遥控USV对准驶入滑道；坞舱式快速收放技术受航速、海况等因素影响不大，需要人工遥控USV对准驶入托架或滑道。
⑺收放耗时
根据以上分析可知，在一般情况下，3种收放技术的收放耗时由短到长依次为：坞舱式快速收放技术<艉滑道式收放技术<吊放式收放技术。
综合以上对比和分析可知，坞舱式快速收放技术形式受航速、海况等因素的影响不大，但需配置大型坞舱，且对船体结构要求比较特殊，适合在各种坞船上推广应用；吊放式收放技术对母船航速、海况适应性较差，人工解挂钩等操作比较费时，安全性较低，可在已经使用吊放式收放技术的船舶上继续发展；艉滑道式收放技术在空间需求、母船航速、适应海况、操作情况、收放耗时等方面综合表现更好。因此，本文认为艉滑道式收放技术更适合于USV的收放需要，也符合未来收放方式的发展趋势。
美国《海军无人水面艇总体规划》对USV收放技术提出了长远的技术路线图，指出了收放技术面临的主要挑战，包括恶劣环境下收放过程的安全性、可操作性和收放技术的简便性、通用性、便携性等。上述对比分析表明，艉滑道式收放技术代表了USV收放技术的发展方向，结合国内外收放技术开发面临的难点，有助于准确判断该技术今后的发展趋势，并开展相关研究。
1. 通用型滑道技术
滑道对于USV停放可以起到支撑作用。在布放时，可依靠重力沿滑道灵活下滑；回收时，也需滑道保持正确导向，并具有一定的碰撞保护功能。另外，为保证USV回收的成功率，滑道最底端需低于水线一定的距离，但如此设计可能导致滑道位置更靠近母船底部空间，从而影响艉部舱室的设备布置，因此，通常采用在下翻式艉门结构上设置滑道，以作为滑道的延伸部分来解决该问题。由于母船和USV型号不尽相同，考虑到收放机构的兼容性问题和降低成本的需求，有必要开展通用型收放技术的研究。在艉滑道式收放技术中，通用型滑道装置不仅可以在不同母船上安装，也可通过调整滑道结构以适应不同USV和UUV的收放要求，如美国物理科学公司设计的通用型艉滑道收放系统。由此可见，通用型滑道技术是USV收放系统首先要解决的关键问题。
2. 自动阻拦对接技术
由于母船艉部滑道一般较短，而USV冲排时会带有一定的航速，若不及时将USV阻拦，可能造成USV冲出滑道、撞击船体的后果。因此，设计自动阻拦对接机构，采取适当的措施将艇体有效阻拦，吸收冲排时的动能并自动与艇艏挂钩。可避免因USV速度过快冲出滑道而带来的损坏；在布放时，阻拦对接机构也可与艇艏自动脱钩，使USV依靠重力自动滑入水中。
3. 高精度回收引导控制技术
高精度回收引导控制技术需要USV在复杂海况下持续跟踪母船，由远及近地分别识别母船、滑道标识、阻拦对接标识，在躲避障碍物、不断调整自身位置、克服海浪和尾流影响后驶入滑道并完成回收过程。在USV回收过程中，海况复杂，艇体晃动剧烈，光线雨雾情况会对激光雷达和相机等传感器的探测精度及跟踪稳定性带来较大影响，因此，必须采用多传感器融合的解决途径，开展高精度回收引导算法的研究，以保证跟踪过程的准确性和稳定性。国内某单位的研究方案则是利用毫米波雷达进行远距离探测，激光雷达进行中距离探测，双目相机进行近距离精确对准，并采用多传感器主、被动融合思路和TLD（Track⁃ing-Learning-Detection）算法，利用跟踪结果进行在线学习，最终实现USV高精度回收引导控制。
本文对国内外目前的USV收放技术现状进行了归纳总结，从设备配置、空间需求、波浪影响、母船航速、适应海况、操作方式、收放耗时等方面，对国内外主要采取的吊放式、艉滑道式、坞舱式3种收放技术进行了对比分析，指出艉滑道式收放技术更适合于USV投送的需要。针对艉滑道式收放装置的特点，借鉴美国《海军无人水面艇总体规划》技术路线图，提出了有效实施艉滑道式收放装置需解决通用型滑道技术、自动阻拦对接技术、高精度回收引导控制技术等核心技术，为后续收放装置的技术攻关指出了研究方向。
现阶段USV收放技术尚处于发展初期，国内收放技术的发展与先进国家相比仍存在较大差距，国内舰船行业应迎接USV收放过程中的各种挑战，准确把握快速发展中的趋势，制定出明确的发展规划，开展有针对性的研究，以早日攻克USV自动收放技术的世界性难题。
来源：溪流之海洋人生