[科普中國]-智能巡邏艇控制

研究背景

隨著科學技術的發(fā)展和國際形勢的變化，無人作戰(zhàn)系統逐步進入了人們的視野。無人水面智能巡邏艇作為無人作戰(zhàn)系統的一個分支，不僅具有靈活、便捷等特點，還在危險任務的執(zhí)行等方面有著不可替代的作用1。

目前港口、碼頭、景觀湖、水庫、旅游景點、養(yǎng)殖業(yè)等水域的巡邏和安全防控基本上都是人工完成，存在工作量大、探測手段有限、安全救援遲緩等問題。相對于無人機、無人船等技術，無人水上艇技術發(fā)展相對較晚，目前無人水上巡邏艇主要由美國、以色列等少數發(fā)達國家生產，主要用于軍事用途。國內無人艇技術相對落后，多數是尺寸較小、功能簡單、智能化和信息化程度低的單一功能產品，近80%的無人水上艇應用都集中在觀測與信息收集、物理環(huán)境測量等。

控制技術無人智能巡邏艇控制技術主要包括智能巡邏艇的動力定位、路徑跟蹤、軌跡跟蹤技術等。

動力定位動力定位是智能巡邏艇的一種定位方法，先用聲吶測定艇位，再利用艇上的自動控制系統，發(fā)出指令，控制安裝在艇首、艇尾的側向推進器，來固定艇位。動力定位法的優(yōu)點是不受水深限制，適合于深水海域使用。

路徑跟蹤智能巡邏艇路徑跟蹤控制就是設計智能巡邏艇在不同控制要求下的路徑跟蹤控制器，使得巡邏艇在控制器的作用下能夠跟蹤并最終穩(wěn)定在預定的參考路徑上。路徑跟蹤的準確性的提高不僅僅與巡邏艇模型構建相關，與采用的控制方法也是密不可分的?，F階段控制領域的幾乎所有的成熟和先進的控制方法應用于智能巡邏艇的運動控制2。

軌跡跟蹤智能巡邏艇的軌跡跟蹤屬于廣義上的船舶動力定位，具體來說，是巡邏艇在規(guī)定的時間內通過軌跡跟蹤系統的控制到達原本設定的位置上。具有高性能的軌跡跟蹤能力的控制器是水面智能巡邏艇所需要的。設計水面智能巡邏艇的控制器是富有挑戰(zhàn)性的3。

應用合肥天鵝湖警用無人智能巡邏艇天鵝湖綜合安全防控系統由無人智能巡邏艇、岸基紅外和光學視頻監(jiān)控系統、無人機、高速救援艇、蛙人應急分隊、城管巡防員、手持式通訊終端、水下探測以及綜合安全監(jiān)控平臺等組成。該系統的核心是無人智能巡邏艇，主要體現在以下幾個方面：

1） 自主巡航和主動避障功能由衛(wèi)星導航、電子羅盤、海事雷達、超聲雷達、激光雷達、聲吶等信息感知模塊組成，通過形態(tài)學膨脹腐蝕原理的二值圖處理和動態(tài)目標A*算法等人工智能算法，實現水面機器人在復雜水域的全局路徑優(yōu)化和局部障礙規(guī)避；

2） 無人智能巡邏艇上分別搭載了光學攝像和熱紅外攝像頭，開發(fā)了基于動態(tài)目標多特征差異檢測原理的光學和熱紅外圖像細胞神經網絡識別算法，實現無人艇動態(tài)巡航條件下動態(tài)目標的捕捉與準確識別；

3） 無人智能巡邏艇的自動識別技術解決了天鵝湖危險水域人員的動態(tài)和快速識別，在此基礎上開發(fā)了早期預警系統，對試圖進入危險水域的人員提前進行警告和監(jiān)控，為有效管控溺亡事故的應急處理提供了技術保障；

天鵝湖島上架設了20多臺光學攝像和熱紅外攝像頭，實現了天鵝湖全天候、無死角的實時監(jiān)控、和目標自動識別，一旦出現人員越過警戒線和危險水域，將自動計算危險區(qū)域人員的精確位置坐標，自動判斷風險等級，并自動向系統平臺發(fā)送指令，系統平臺再向無人智能巡邏艇、安防人員和管理人員發(fā)送信息，以最快的速度采取應急措施，真正實現天鵝湖的空地水立體化、全天候和無死角安排防控。天鵝湖綜合安全防控系統可以與其他安全管理和應急系統聯網，實現多網絡平臺的聯動4。

高速無人智能搜救巡邏艇一種新型的、無人駕駛、智能、高速的搜救巡邏艇，采用程控和遙控相結合的控制系統，自動將落水者救回的小艇。該搜救巡邏艇可以實現以下功能：

1） 海上救助落水人員，如軍艦作戰(zhàn)時，遠洋船舶遇難有人落水時等，特別是在比較惡劣海況，人工救助艇力不能及的環(huán)境下；

2） 海灘、海邊浴場外圍的巡邏，取代人工監(jiān)視，防止游客在離海岸較遠處溺水或被浪卷離海灘；

3） 海岸自動巡邏守衛(wèi)功能(軍用)；

4） 夜間搜救落水者時，用智能艇的紅外線探測能很方便地確定目標位置；

5） 其它海上作業(yè)(如海洋平臺)配備作為救生裝置。

采用了很多現有成熟技術，參考了上海交通大學船舶與海洋工程國家實驗室的一些研究成果，充分利用了問題的特殊性，有針對性的對解決方案進行了最大的合理的簡化和創(chuàng)新。