无人水面艇收放技术发展前景(无人水面艇收放方案)

无人水面艇为无人驾驶水面船舶,由智能控制以达成自主驾驶,艇上配备先进的武器系统、智能感知系统以及通讯系统等。其完成使命后,通常需要回收到搭载平台上,以补充能源、下载数据、维护保养和重新设置使命。其执行任务适应能力非常强,且相关的研究依然在不断深入。

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一、研究背景与意义

近些年来,海洋环境保护等问题甚嚣尘上,而且各军事大国对于经略海洋亦十分重视。我国应积极探究无人水面艇的相关技术,以推动海洋开发,并保护海洋环境,同时保卫海洋安全。提高收放过程的自动化程度,减少高海况下人为操作不便等不利因素,可为任务成功提供更好的保障,对该技术展开研究分析十分必要。

二、国内外研究现状

无人水面艇收放技术,是指在将其放置水面和回收到母船的过程,其十分重视快速性、安全性和高效性、可靠性。经对国内外的发展现状分析,收放形式主要涵括了吊放式及滑道式2种收放型式,西方国家在该技术研究试验验证等方面领先于国内。

⒈吊放式收放

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吊放式收放型式在有人小艇收放方面已经得到了多年应用,通过适应性改进,用于无人艇的释放回收操作。根据小艇吊点数量,分为单吊点和双吊点2种形式。前者的适用范围为8.5m以下小艇,操作较为简单且快速,但其对艇体姿态稳定性不易控制,为有效改善这一情况,通常需增加波浪补偿、防摇摆装置以及艇艏艉防旋转缆;后者在控制方面较为复杂,防旋转及艏艉翘动性能较好,吊放时需注意双点间的高度差情况,建议增加防摆机构。双点吊型式通常用于长度超出8.5m的小艇。如上图(来自网络,编者加)。

国外典型企业产品包含德国GlobalDavit公司所予以开发的吊艇架式工作艇收放系统,即为最为典型的回转式系统,可用于15~36kN无人水面艇;美国的洛克希德-马丁公司、英国的CALAY公司等欧美海洋装备生产企业均对无人艇(器)及其收放装置开展了相关研发工作。

我国的有人小艇吊放系统已经在功能、种类、负载等多方面追赶上国际行列,但无人艇吊放系统起步较晚。目前,国内典型的无人艇吊放系统,有上海大学设计的小型艇坞式回收系统、中船绿洲镇江船舶辅机有限公司的无人艇收放系统等。前者采用“捕捉笼”概念的微型“艇坞”结构,形成完整的捕捉系统;后者采取“引导+加紧+锁止”结构配合专用伸缩式起吊装置,形成无人艇的收放系统。

⒉滑道式收放

滑道式收放技术常见的有:船坞、固定、铰接、伸缩、纵向倾斜冲排、转运滑道式等。法国的ECAGROUP公司是以专业的各类机器人技术、自动系统开发技术和仿真技术而闻名,其研发的无人艇带无人航行器进行自动收放,该技术处于国际领先地位,具有适用高海况,自动化程度高和适配性好等优势。同时该国研制的OPV90近海巡逻舰,所采用的则为艉部双滑道式系统。如下图,纵向倾斜冲排式滑道(来自《广东造船》,编者加)。

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目前,国内的执法船、外贸船上,艉部滑道收放技术的应用较为广泛,有单滑道和双滑道之分,且在部分院所中,也具有比较成熟的艉滑道式载人小艇收放技术,及单、双滑道系统设计能力。为更好应对无人水面艇发展趋势,可继续深入研究,开发出更为先进的艉部滑道收放技术。如下图,运转式滑道收放系统(来自《广东造船》,编者加)。图片

三、后续研究

⒈搭载适配性技术研究

结合国内现有无人艇收放装置使用需求,现存的有人小艇船只,是重要搭载、改装适用群体,参考现有收放装置存放空间、环境、供给配置等特点进行无人艇收放技术研究,契合当下实际应用状态。以此为基础,在获得充足数据、经验后不断完善。

吊放式收放装置,设备组成具有较强的适应性,可根据搭载任务需求的不同,做特定的布置组合。开展适配性研究,提高收放装置的通用化、模块化程度。在滑道式收放型式中,为确保无人水面艇回收成功率,对于滑道最低端,其与水线相比,应保持较低水平,但或可致滑道位置与母船底部空间更为接近,会影响到艉部舱室的设备布置。鉴于此,滑道的位置可设置为下翻式艉门结构,并将之视作滑道延伸部位,以对上述问题有效解决。针对于艉滑道式收放,一方面可于不同母船上进行通用型滑道装置安装;另一方面还可对其托架结构进行调整,以适应不同规格无人艇的收放要求。

⒉自动捕捉技术

无人艇回收过程中,艇相对母船具有相对运动,势必会存在一定航速差,若不能及时将其阻拦,则可导致其冲出捕捉机构或滑道的情况,甚至撞击船体。因此,应予以自动阻拦或捕捉结构设计,以吸收捕捉过程时的动能。吊放式收放技术中,采用捕捉、锁紧模块与吊放系统组合的型式。滑道式收放技术中,采用阻尼缓冲牵引及侧部托架支撑的组合型式。在释放无人艇工况下,阻尼缓冲牵引机构可方便解除对无人艇的约束,使其释放入水中。

为提升高海况下设备操作安全性,捕捉技术应以实现释放、回收过程的无人化挂、脱钩为最终目标。由于无人艇没有乘员,无法通过人工干预进行挂、脱钩操作。脱钩可以通过遥控方式解决,难点是挂钩操作。

由于母船和无人艇均处于水面上,在高海况下,相对运动姿态比较复杂,通过对船舶运动姿态的研究,确定自动捕捉技术的设计方案。收放技术拟通过挂、攀(引导)-夹紧(对中)-固定(锁紧)的3步骤进行自动捕捉。其中,挂攀的解决方案为在收放装置的捕捉装置上设定目标点,通过控制无人艇使安装在无人艇上的锁扣机构和捕捉装置上设定目标点相连接,对中机构类似于机械手,将通过一组对称的伸缩臂收缩动作,将捕捉装置和无人艇对中,锁紧动作是通过杆件的伸缩动作,将无人艇上固定点进行机械式固定,完成整个无人艇的捕捉动作。

⒊高精度回收引导控制技术

在复杂海域情况下,对高精度回收引导控制技术予以应用,可实现持续跟踪母船的效果,并识别母船、滑道标识等,以智能化躲避障碍物,并对自身位置予以不断调整,在克服海浪、尾流影响之后,成功驶入滑道,完成回收。

因海况复杂,艇体在这种情况势必会发生剧烈晃动,且加之雨雾情况,会影响到雷达等传感器探测精度,因此在回收过程中,可采用多传感器相融合的办法,针对高精度回收引导算法展开深入研究,从而使跟踪过程更为准确和稳定。

四、结语

随着无人水面艇技术的日趋完善,其运维成本也会降低,各种高性能、新型功能的涌现,有望在救援、运输、测绘以及勘探等诸多任务场景中予以应用。与此同时,关于无人艇收放技术,国内仍处于初步阶段,需不断深入研究,以追赶与其他先进国家的差距。本文对吊放式、滑道式收放技术进行了分析,并指出后续技术研究发展的方向,对无人水面艇收放技术的发展趋势予以把握,以深入并有的放矢地开展研究,促进行业进步。

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【作者简介】文/许亮 赵明清,均来自中船绿洲镇江船舶辅机有限公司;第一作者许亮,男,1982年出生,工程师,研究方向为船用小艇收放装置和船用起重设备。文章来自《船舶物资与市场》(2021年第7期),参考文献略,用于学习与交流,版权归作者及出版社共同拥有,文中图片均系本平台加载,由“溪流之海洋人生”编辑与整理。

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