姚天成， 趙永生， 王紅雨， 何炎平， 丁子龍， 池哲瀛， 蔡煒鍇

(上海交通大學(xué) a. 船舶海洋與建筑工程學(xué)院； b. 電子信息與電氣工程學(xué)院， 上海 200240)

信息技術(shù)和控制技術(shù)的快速發(fā)展使人工智能和無(wú)人系統(tǒng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，為海洋調(diào)查裝備的發(fā)展提供了新的思路.無(wú)人船(USV)以船形浮式平臺(tái)為載體，是一種可執(zhí)行某類指定任務(wù)，并基于任務(wù)目的進(jìn)行功能、性能設(shè)計(jì)的多功能水面機(jī)器人.作為一種新型的無(wú)人搭載平臺(tái)，與傳統(tǒng)載人調(diào)查船相比，無(wú)人船優(yōu)勢(shì)在于靈活機(jī)動(dòng)[1]，安全、隱蔽性強(qiáng)[2]，可以在海洋中承擔(dān)長(zhǎng)時(shí)間、大范圍、低成本的海洋監(jiān)測(cè)任務(wù)[3-4]，有廣闊的應(yīng)用前景[5-7].

現(xiàn)階段大部分USV均使用燃油和電池作為能源[8]，自身無(wú)法實(shí)現(xiàn)能源動(dòng)力補(bǔ)給，不能滿足長(zhǎng)期海洋觀測(cè)的需求.在環(huán)境信息探測(cè)感知方面，現(xiàn)有的無(wú)人船由于傳感器距離水面高度較低，易受到波浪抨擊等復(fù)雜海洋環(huán)境的干擾，從而導(dǎo)致感知受限等問(wèn)題，且視覺(jué)設(shè)備往往存在探頭視野受限現(xiàn)象[9-11].

針對(duì)上述問(wèn)題，本文研發(fā)了CWind無(wú)人船，為風(fēng)能太陽(yáng)能混合驅(qū)動(dòng)的長(zhǎng)航程無(wú)人?？樟Ⅲw探測(cè)船，以風(fēng)能和太陽(yáng)能作為驅(qū)動(dòng)能源，續(xù)航持久.同時(shí)，配備了艇載系留無(wú)人機(jī)探測(cè)系統(tǒng)，感知范圍廣、精度高、視野靈活，可用于長(zhǎng)周期的海洋大范圍環(huán)境立體探測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)?？找惑w的特定海域大面積巡航和定點(diǎn)觀測(cè)，并能遠(yuǎn)程傳輸探測(cè)信息.

1 CWind系統(tǒng)組成

CWind無(wú)人船主要由船體、風(fēng)能太陽(yáng)能混合動(dòng)力系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)(UAV)桅桿系統(tǒng)和?？樟Ⅲw探測(cè)系統(tǒng)四大部分組成.表1為主要技術(shù)參數(shù)，圖1為CWind概念示意圖.

表1 CWind主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of CWind

圖1 CWind主要系統(tǒng)組成Fig.1 Main system composition of CWind

在船體設(shè)計(jì)上，CWind采用低速高性能雙體船型，具備良好的初始穩(wěn)性，結(jié)合可調(diào)節(jié)型負(fù)載系統(tǒng)，可以進(jìn)一步提升無(wú)人船的穩(wěn)性以應(yīng)對(duì)更為復(fù)雜惡劣的海洋環(huán)境.

圖2 CWind混合動(dòng)力系統(tǒng)Fig.2 Hybrid power system of CWind

風(fēng)能太陽(yáng)能混合動(dòng)力系統(tǒng)如圖2所示，主要包括升降式的導(dǎo)管型高效低風(fēng)速風(fēng)力機(jī)、可展式的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)、鋰電池儲(chǔ)能單元，以及能量管理控制器.在能量管理控制器的統(tǒng)一管控下，風(fēng)力機(jī)和太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)船載鋰電池組進(jìn)行充電，鋰電池組對(duì)船載電力推進(jìn)系統(tǒng)、探測(cè)系統(tǒng)和系留無(wú)人機(jī)進(jìn)行供電.采用可再生能源混合配置，可克服單一能源供電的不穩(wěn)定性，提高供電效率.

CWind的無(wú)人機(jī)桅桿系統(tǒng)如圖3所示，由多旋翼系留無(wú)人機(jī)、線纜自適應(yīng)收放絞車和艇載系留無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)組成.系留無(wú)人機(jī)采用無(wú)人船載電源通過(guò)系留線纜供電，可長(zhǎng)時(shí)間滯空懸停發(fā)揮機(jī)動(dòng)性優(yōu)勢(shì)，參數(shù)見(jiàn)表2.系留無(wú)人機(jī)上搭載了視覺(jué)和激光雷達(dá)等設(shè)備，通過(guò)GPS、超聲波測(cè)距儀、陀螺儀和加速度計(jì)等實(shí)現(xiàn)與無(wú)人船的同步巡航；同時(shí)，機(jī)載視覺(jué)設(shè)備采集的高清視頻等數(shù)據(jù)可以通過(guò)系留線纜內(nèi)置的光纖回傳到無(wú)人船，具有空中作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)據(jù)傳輸帶寬大的優(yōu)勢(shì).無(wú)人機(jī)桅桿系統(tǒng)大幅提升了無(wú)人船的態(tài)勢(shì)感知能力，相當(dāng)于無(wú)人船的一雙“天眼”.

CWind的?？樟Ⅲw探測(cè)系統(tǒng)如圖4所示，利用多傳感器信息融合技術(shù)，通過(guò)整合高分辨率攝像頭、超聲波氣象站、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和多波束測(cè)深儀等船載和機(jī)載傳感器信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境信息的可靠感知，提升無(wú)人船在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)環(huán)境探測(cè)與識(shí)別的準(zhǔn)確性，避免系統(tǒng)因單傳感器受環(huán)境強(qiáng)干擾而做出錯(cuò)誤決策.設(shè)計(jì)基于“即插即用”和模塊化設(shè)計(jì)概念，通過(guò)在標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)上集成不同的功能模塊以實(shí)現(xiàn)多樣化作業(yè)任務(wù)，具有較強(qiáng)的重配置性、擴(kuò)展性和多功能性，從而滿足用戶任務(wù)需求，如水文測(cè)量、氣象監(jiān)測(cè)、海洋生物觀測(cè)等.

圖3 無(wú)人機(jī)桅桿系統(tǒng)Fig.3 UAV mast system

表2 無(wú)人機(jī)主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of UAV

圖4 ?？樟Ⅲw探測(cè)系統(tǒng)Fig.4 Ocean-air stereoscopic detection system

2 關(guān)鍵技術(shù)

CWind無(wú)人探測(cè)船的優(yōu)勢(shì)在于其長(zhǎng)航程續(xù)航能力和多維立體的?？樟Ⅲw探測(cè)能力，開(kāi)發(fā)中采用了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù).

2.1 艇載系留無(wú)人機(jī)自主降落控制

無(wú)人船海上航行作業(yè)時(shí)在隨機(jī)風(fēng)、浪、流載荷的作用下始終處于六自由度運(yùn)動(dòng)中，無(wú)人機(jī)自主著艦難度高，因此無(wú)人機(jī)的精確自主降落是實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)-無(wú)人船協(xié)同控制的關(guān)鍵[12-14]，尤其當(dāng)無(wú)人船處于巡航狀態(tài)時(shí)，無(wú)人機(jī)的精準(zhǔn)降落更具挑戰(zhàn)性.

視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)是目前無(wú)人機(jī)自主著艦的主流方法[15-16]，然而惡劣海上天氣條件下，圖像識(shí)別精度顯著降低，無(wú)人機(jī)完成自主降落十分困難.無(wú)人機(jī)自主降落如圖5所示，降落過(guò)程中無(wú)人船的六自由度運(yùn)動(dòng)包含縱蕩(Surge)、橫蕩(Sway)、垂蕩(Heave)、橫搖(Roll)、縱搖(Pitch)和首搖(Yaw).

圖5 無(wú)人機(jī)在無(wú)人船六自由度運(yùn)動(dòng)條件下的自主降落Fig.5 Autonomous landing of UAV under six-degree-freedom USV motion condition

針對(duì)無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)自主著艦，開(kāi)發(fā)了系纜主動(dòng)牽引降落技術(shù)和自適應(yīng)對(duì)接平臺(tái)，如圖6所示.在正常飛行作業(yè)期間，無(wú)人機(jī)會(huì)充分發(fā)揮其機(jī)動(dòng)性優(yōu)勢(shì)進(jìn)行較大范圍的機(jī)動(dòng)航行，同時(shí)利用線纜自適應(yīng)收放絞車實(shí)現(xiàn)線纜收放控制，保證外放長(zhǎng)度維持在一個(gè)合適的水平，減小其對(duì)系留無(wú)人機(jī)飛行機(jī)動(dòng)性帶來(lái)的影響.在艇載系留無(wú)人機(jī)降落階段，結(jié)合基于線纜主動(dòng)牽引的自主起降控制方法(見(jiàn)圖7)，無(wú)人機(jī)旋翼升力自適應(yīng)平衡回收的線纜對(duì)無(wú)人機(jī)所施加拉力的垂向分量，同時(shí)維持無(wú)人機(jī)和無(wú)人船的相對(duì)水平方位，保證了艇載系留無(wú)人機(jī)在有限的降落平臺(tái)面積上可以安全地在線纜的引導(dǎo)下降落于艇載系留無(wú)人機(jī)起降平臺(tái).

圖6 無(wú)人機(jī)降落控制原理Fig.6 Landing control principle of UAV

圖7 無(wú)人機(jī)自主降落控制流程Fig.7 Autonomous landing control of UAV

2.2 導(dǎo)管式高效低風(fēng)速風(fēng)力機(jī)

導(dǎo)管式高效低風(fēng)速風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)是研發(fā)過(guò)程中的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù).目前，小型垂直軸和水平軸風(fēng)力機(jī)在船舶上均有應(yīng)用：垂直軸風(fēng)力機(jī)雖然具有萬(wàn)向受風(fēng)優(yōu)點(diǎn)，但存在發(fā)電效率低的缺點(diǎn)(功率系數(shù)約0.15)；水平軸風(fēng)力機(jī)發(fā)電效率雖有所提高(功率系數(shù)約0.25)，但存在啟動(dòng)風(fēng)速高問(wèn)題.為此，對(duì)傳統(tǒng)三葉片小型風(fēng)力機(jī)的葉片數(shù)量、葉片外形進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[17]，開(kāi)發(fā)了具有整流和增速作用的全風(fēng)向?qū)Я鞴苎b置，如圖8所示.

為評(píng)估導(dǎo)流管裝置對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能和發(fā)電效率的影響，基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法對(duì)風(fēng)力機(jī)在有/無(wú)導(dǎo)管兩種情況下進(jìn)行了模擬.計(jì)算采用隱式差分格式進(jìn)行三維非定常模擬，為節(jié)省計(jì)算網(wǎng)格將計(jì)算域設(shè)為圓柱形，并對(duì)風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)區(qū)域及尾流區(qū)域進(jìn)行了加密，網(wǎng)格總數(shù)約為570萬(wàn).計(jì)算域中風(fēng)機(jī)上游設(shè)為速度入口，下游設(shè)為壓力出口，弧面設(shè)為對(duì)稱面，采用滑移網(wǎng)格模擬風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，如圖9所示.

圖10所示為風(fēng)力機(jī)在有/無(wú)導(dǎo)管兩種情況下的尾渦對(duì)比，導(dǎo)管剖面設(shè)計(jì)為機(jī)翼形狀，導(dǎo)管和葉尖之間空隙極小，可顯著降低繞流損失并限制尾流收縮，減少能量損失，提高發(fā)電效率.在3種典型工況下，風(fēng)力機(jī)在有無(wú)導(dǎo)管時(shí)的計(jì)算結(jié)果如表3所示.計(jì)算結(jié)果表明新型導(dǎo)管式風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)風(fēng)速約3 m/s，且相對(duì)單獨(dú)風(fēng)力機(jī)工況獲得了更高的功率系數(shù).該導(dǎo)管式風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)上均采用輕質(zhì)材料加工制造，所需的布置空間小，且能夠24 h全天候工作，特別適用于為遠(yuǎn)海無(wú)人平臺(tái)提供電力.

圖8 導(dǎo)管式小型風(fēng)力機(jī)Fig.8 Small ducted wind turbine

圖9 計(jì)算域及導(dǎo)管式風(fēng)力機(jī)表面網(wǎng)格Fig.9 Computational domain and surface mesh of ducted wind turbine

圖10 風(fēng)力機(jī)尾渦對(duì)比Fig.10 Comparison of trailing vortex of wind turbine

表3 CFD計(jì)算工況及結(jié)果Tab.3 Calculation conditions and results based on CFD

3 結(jié)語(yǔ)

CWind無(wú)人海空立體探測(cè)船采用風(fēng)能和太陽(yáng)能混合驅(qū)動(dòng)，解決了無(wú)人船長(zhǎng)航程作業(yè)缺少能源補(bǔ)給難題，進(jìn)一步通過(guò)搭載系留無(wú)人機(jī)解決了傳統(tǒng)無(wú)人船在海洋環(huán)境下水面感知能力受限的瓶頸問(wèn)題，具有優(yōu)良的續(xù)航能力和強(qiáng)大的?？仗綔y(cè)能力，未來(lái)應(yīng)用場(chǎng)景包括以下幾個(gè)方面.

(1) 遠(yuǎn)海島礁?？樟Ⅲw環(huán)境探測(cè).我國(guó)南沙島礁海流潮流特點(diǎn)復(fù)雜，暗礁眾多，水深變化大，水動(dòng)力環(huán)境復(fù)雜，采用傳統(tǒng)調(diào)查技術(shù)在該區(qū)域工作效率低、風(fēng)險(xiǎn)大且耗費(fèi)大量人力和物力.采用CWind無(wú)人船，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)海島礁海域的?？樟Ⅲw探測(cè)，快速獲取島礁地表數(shù)據(jù)和水深、水下地形等基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

(2) 海洋中尺度渦連續(xù)觀測(cè).目前水下滑翔機(jī)、波浪滑翔機(jī)及ARGO浮標(biāo)等平臺(tái)在中尺度渦觀測(cè)能力上存在不足.CWind為長(zhǎng)航程無(wú)人船，通過(guò)搭載自動(dòng)水下剖面觀測(cè)平臺(tái)、自動(dòng)氣象站，可實(shí)現(xiàn)低成本、高精度的大洋中尺度渦的觀測(cè)，獲取高分辨率的中尺度渦立體海洋要素.

(3) 遠(yuǎn)海氣象探測(cè).當(dāng)前遠(yuǎn)海氣象探測(cè)主要依靠衛(wèi)星遙感技術(shù)，不能直接測(cè)得精確的氣象參數(shù).CWind無(wú)人船可穿越臺(tái)風(fēng)眼，結(jié)合艇載系留無(wú)人機(jī)，“看清”臺(tái)風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)獲得臺(tái)風(fēng)內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)等各項(xiàng)探測(cè)數(shù)據(jù)，為臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)和機(jī)理研究提供可靠的實(shí)測(cè)資料.

(4) 深遠(yuǎn)海域海洋動(dòng)物種群觀測(cè).CWind為無(wú)人船和無(wú)人機(jī)立體觀測(cè)系統(tǒng)，可以在不驚擾海洋動(dòng)物(如鯨魚、海豚等)的前提下收集資料，無(wú)需借助昂貴的直升機(jī)和固定翼飛機(jī)進(jìn)行觀測(cè).