[科普中国]-智能巡逻艇控制

研究背景

随着科学技术的发展和国际形势的变化，无人作战系统逐步进入了人们的视野。无人水面智能巡逻艇作为无人作战系统的一个分支，不仅具有灵活、便捷等特点，还在危险任务的执行等方面有着不可替代的作用1。

目前港口、码头、景观湖、水库、旅游景点、养殖业等水域的巡逻和安全防控基本上都是人工完成，存在工作量大、探测手段有限、安全救援迟缓等问题。相对于无人机、无人船等技术，无人水上艇技术发展相对较晚，目前无人水上巡逻艇主要由美国、以色列等少数发达国家生产，主要用于军事用途。国内无人艇技术相对落后，多数是尺寸较小、功能简单、智能化和信息化程度低的单一功能产品，近80%的无人水上艇应用都集中在观测与信息收集、物理环境测量等。

控制技术无人智能巡逻艇控制技术主要包括智能巡逻艇的动力定位、路径跟踪、轨迹跟踪技术等。

动力定位动力定位是智能巡逻艇的一种定位方法，先用声呐测定艇位，再利用艇上的自动控制系统，发出指令，控制安装在艇首、艇尾的侧向推进器，来固定艇位。动力定位法的优点是不受水深限制，适合于深水海域使用。

路径跟踪智能巡逻艇路径跟踪控制就是设计智能巡逻艇在不同控制要求下的路径跟踪控制器，使得巡逻艇在控制器的作用下能够跟踪并最终稳定在预定的参考路径上。路径跟踪的准确性的提高不仅仅与巡逻艇模型构建相关，与采用的控制方法也是密不可分的。现阶段控制领域的几乎所有的成熟和先进的控制方法应用于智能巡逻艇的运动控制2。

轨迹跟踪智能巡逻艇的轨迹跟踪属于广义上的船舶动力定位，具体来说，是巡逻艇在规定的时间内通过轨迹跟踪系统的控制到达原本设定的位置上。具有高性能的轨迹跟踪能力的控制器是水面智能巡逻艇所需要的。设计水面智能巡逻艇的控制器是富有挑战性的3。

应用合肥天鹅湖警用无人智能巡逻艇天鹅湖综合安全防控系统由无人智能巡逻艇、岸基红外和光学视频监控系统、无人机、高速救援艇、蛙人应急分队、城管巡防员、手持式通讯终端、水下探测以及综合安全监控平台等组成。该系统的核心是无人智能巡逻艇，主要体现在以下几个方面：

1） 自主巡航和主动避障功能由卫星导航、电子罗盘、海事雷达、超声雷达、激光雷达、声呐等信息感知模块组成，通过形态学膨胀腐蚀原理的二值图处理和动态目标A*算法等人工智能算法，实现水面机器人在复杂水域的全局路径优化和局部障碍规避；

2） 无人智能巡逻艇上分别搭载了光学摄像和热红外摄像头，开发了基于动态目标多特征差异检测原理的光学和热红外图像细胞神经网络识别算法，实现无人艇动态巡航条件下动态目标的捕捉与准确识别；

3） 无人智能巡逻艇的自动识别技术解决了天鹅湖危险水域人员的动态和快速识别，在此基础上开发了早期预警系统，对试图进入危险水域的人员提前进行警告和监控，为有效管控溺亡事故的应急处理提供了技术保障；

天鹅湖岛上架设了20多台光学摄像和热红外摄像头，实现了天鹅湖全天候、无死角的实时监控、和目标自动识别，一旦出现人员越过警戒线和危险水域，将自动计算危险区域人员的精确位置坐标，自动判断风险等级，并自动向系统平台发送指令，系统平台再向无人智能巡逻艇、安防人员和管理人员发送信息，以最快的速度采取应急措施，真正实现天鹅湖的空地水立体化、全天候和无死角安排防控。天鹅湖综合安全防控系统可以与其他安全管理和应急系统联网，实现多网络平台的联动4。

高速无人智能搜救巡逻艇一种新型的、无人驾驶、智能、高速的搜救巡逻艇，采用程控和遥控相结合的控制系统，自动将落水者救回的小艇。该搜救巡逻艇可以实现以下功能：

1） 海上救助落水人员，如军舰作战时，远洋船舶遇难有人落水时等，特别是在比较恶劣海况，人工救助艇力不能及的环境下；

2） 海滩、海边浴场外围的巡逻，取代人工监视，防止游客在离海岸较远处溺水或被浪卷离海滩；

3） 海岸自动巡逻守卫功能(军用)；

4） 夜间搜救落水者时，用智能艇的红外线探测能很方便地确定目标位置；

5） 其它海上作业(如海洋平台)配备作为救生装置。

采用了很多现有成熟技术，参考了上海交通大学船舶与海洋工程国家实验室的一些研究成果，充分利用了问题的特殊性，有针对性的对解决方案进行了最大的合理的简化和创新。