都广斌 陶瑞 雷震 吴雨峰 张明宇*

（1.珠海云洲智能科技有限公司 广东省珠海市 519080 2.吉林工程技术师范学院 吉林省长春市 130052）

无人船的应用前景非常广泛，未来无人船项目的开发可以应用于海上交通工具以及海上信息情报工作等。当前我国的无人船开发正在迈向正轨，有必要提升其航行规划和目标跟踪的便捷性和准确性，从而为无人船实现脱离人为操作、实现全自主航行提供重要技术支撑，强化我国海事作业的综合能力。

1 无人船研究背景

1.1 无人船研究历程

无人船研究开始得相对较晚，2007年，美国海军的《海军无人水面艇主计划》以技术成熟但应用不成熟、技术不成熟两个标准来划分无人水面艇技术，为海军无人船舶的研究提供了重要的参考依据。2012年，欧洲委员会（European Commissions）向多家无人船试验开发单位提供了380 万美元的资助。2013年，美国国防部发布的《无人系统路线图》对无人艇未来的技术发展做出了详细的规划，计划未来5年内集中于无人船相关的传感器和通信技术的研究，未来10年内集中于增加作业任务、扩展作业范围技术的研究，未来25年内集中于自动避碰避障等自助系统，提高无人船艇作业的自主性方面的研究[1]。

1.2 无人船研究意义

传统的航线设计和目标跟踪都需要依靠人工分析静态海图，查阅航海文献资料，手工绘制航海路线图，但是这种方法准确性和效率其实并不高。随着信息化时代的到来，以数据为中心的智慧海事建设逐步成为海事信息化发展的新理念，现代无人船的技术也在大数据库、人工智能技术、智能识别技术、计算机网络通信、云计算、传感器技术的发展中得到了完善。在全球一体化的影响下，我国的海洋经济正在蓬勃发展的道路上不断前行，各式各样的水上活动也随之增多，尤其在海运产业当中，无人船技术的开发可以极大地节约人工成本，提高运输效率。另外，无人船的研究开发可以让无人船更好地适应海上气候，从而在水质监测、海上搜救等工作中得到广泛应用。

2 无人船航行规划和目标跟踪运行机制分析

2.1 无人船航行规划运行机制分析

2.1.1 系统设计

硬件装备：

（1）GNSS 设备：GNSS 为船只提供自身所运行的方向以及当前所处的经纬位置，无人船选用厦门新诺科技有限公司的船用GNSS 导航仪希图-HM-1507,其参数为：

显示器：800*480 分辨率，7 英寸LED 显示屏。

图1：无人船航行规划流系统运行图

图2：无人船目标跟踪系统程序流程图

电路：12-40V。

精度：定位精度1.5 米。

波特率：默认19200，支持修改。

通讯接口：RS-232，标准UART 通讯协议。

（2）雷达设备。雷达可以帮助无人船在其检测区域内锁定目标位置，以为船只数据系统提供可靠的航域信息，帮助计算程序作出正确的决策。无人船采用上海无线电研究所（航天802 所）所定制的雷达设备，其参数为：

电路：12-24V 直流。

输出功率：6kw。

测量范围：1000m。

最小量程：25m。

扫描周期：3s。

通讯接口：CAN 协议接口，标准帧格式。

2.1.2 程序设计

无人船海上航行规划的技术方法一般是根据各传感器所采集的信息进行运算，决策航线，并派给执行系统进行自主航行操作。其中采集系统所采集的信息包括船舶的速度、方向等自身运行状态信息，船舶周围的障碍距离、风力、风向等海面环境信息，以及无人船在海面上的位置等关系状态信息。采集系统将所收集的数据传送至分析系统，对海面风力、海水深度、障碍距离等信息进行综合分析，判断可航行区域并规划航行路线，同时选用智能算法生成航行距离最短的线路，并同其他信息任务一同输入决策系统。无人船航行规划程序设计包括决策层的智能决策程序、分析层的信息分析、执行分析程序、上位机与下位机之间的信息传递程序和下位机与执行机构之间的信息传递程序，其能够对所收到的信息、指令、任务按照其内容构成的复杂程度分别传递至不同的决策系统中，实现同时容纳多道运算同步进行的高效率决策，由此提供更为实时的决策指令[2]。

2.1.3 系统运行图

无人船航行规划流系统运行图如图1所示。

实验内容：

（1）采集系统：通过感知设备，对无人船的运行状态、航行位置、交通环境、水文环境、气候环境、海浪等进行检测和采集，并根据航行需求对信息进行初步的分类和组合。

（2）决策系统：分析航行中障碍物的密度、距离、范围和周边海事情况，根据信息复杂程度、重要程度和需求频率对信息进行优先排序并分配不同的决策渠道，并根据实际需要对初步分类后的信息进行处理，排除环境中非典型目标的干扰，提取出更加精准的环境信息，判断安全航行的水域，并生成可行的路线段指令。

（3）执行系统：根据收到来自决策系统的航线信息和航向指令对未来行驶中将要遇见的障碍物采取水平转向、纵向加减速等绕行操作，并与决策系统保持双向反馈，对航行过程中的意外危险情况进行实时记录和反馈。

实验目的：

（1）通过雷达识别障碍物的类型、体积、分布程度、移动状态，结合障碍物信息生成智能无人船海面航行环境障碍分布图，辅助子系统提供传感器数据接收运算、船舶控制的工控机、岸端主机以及通信模块等信息，从而搭建出无人船雷达传感系统网络。

（2）通过GNSS 确定船舶自身经纬度和航向角信息，并将数据录入陆地电脑系统，为决策系统提供计算航行的速度和距离的参数。

有关产品内分工与就业利益研究的争议主要集中在发展中国家通过参与产品内分工，是否减少了发达国家的就业岗位。从现有研究来看，一般认为，发展中国家通过参与产品内分工，拓宽了产品生产种类，在延伸产业链的基础上，扩宽了就业渠道，有效增加了国内的就业岗位，并且产品内分工能够对一国的就业结构或者说就业需求产生一定的影响，但在这种影响的方向和强度上都存在着一定的争议。

（3）确定数据的及时和准确。在采集数据的过程中，由于设备、船舶航行的波动等设备条件限制和环境因素的影响，所收集的数据信息会构成一定的失真范围，所以应当对数据进行聚类和目标识别，根据传感器的有效扫描范围剔除无效数据，并根据聚类后各类数据点的个数，删除点数较少的类，得到更为精准的障碍物分类结果。[3]

（4）当无人船雷达传达系统网络完成海事信息建模之后，基于无人船程序系统对海上航行数据的搜索与计算和当前运行状态，采用智能计算系统对航海路径进行实时的生成和优化，从而实现全程全自主的无人船海上航行。

2.2 无人船目标跟踪运行机制分析

2.2.1 系统设计

2.2.1.1 功能设计

（1）控制器设计：为了稳定航向，控制推进器基础控制电压，控制量为控制电压增量，通过对推进器控制器增减的方式实现航向控制。

（2）方差分类器：将图片转化为灰度图片，计算出全部像素的方差值，通过与目标区域的方差值进行对比，排除方差过小的区域。

（3）位点跟踪控制器：计算期望航向、无人船速度、航向以及采样周期计算位移量，累加得到当前时刻变量值，控制使无人船航行至期望位点。

2.2.1.2 程序设计

（1）物理特征识别：通过记录该目标的速度、速度误差、历史总位移和可信度对聚类结果以外的类簇进行特征提取，划分目标类型，为数据关联提供依据。对目标列表和类簇列表进行关联，从而有效追踪不同时刻的目标，并将获得同一目标的连续信息集合起来。

对任一类簇所属网格的二维位置信息进行分析，将第一主成分方向上的极差作为长度，将第二主成分方向上的极差作为宽度，并取第一主成分的方向来表示姿态。此外，使用聚类坐标表示类簇的位置，用类簇所属网格在最高位置矩阵中的最大值作为最高位置，最低位置矩阵中的最小值作为最低位置，用类簇占据网格的总面积作为水平面投影面积，获得类簇的物理特征值。

（2）数据预处理：程序对对雷达在每个周期内的原始数据进行处理时尽量保留有效信息，减小数据规模，以便后续处理的数据形式。[4]

（3）数据分割：将没有关联的雷达数据分割为不同的类簇，用以分离静态障碍物和动态目标。对噪声数据点进行处理，将非凸数据集进行聚类，分离出局部地图中的静态障碍物和动态目标。

程序流程图：如图2所示。

2.2.2 实验过程

（1）试验目的。使无人船程序能够对外界环境准确感知，并根据收集到的信息对移动目标与船身的位置形成相对关系计算，由二维的平面轨迹计算进化出包含着更多环境感知模块的三维立体模型。使无人船能够区分海上动态障碍物和跟踪目标，并且能在多个相似变量的情况下排除干扰，继续保持对目标的实时追踪，能够在船体自身、障碍物、海面气候、目标状态信息和预测信息调整随后的运行方向、速度等，并生成应急方案，在有突发情况进行臂章、停船、掉头等操作的同时不对监测设备产生干扰，保持稳定的航行能力。最终让无人船能够取代或辅助人工前往制定海域执行侦察巡航、收集数据、事故救援等任务。

（2）实验内容。使用分类器分别对海面上的障碍物按照目标与干扰因素进行归类并发送给计算系统，作为避碰的参考依据，将无人船GNSS 所提供的位置的矢量方向作为目标航向，减少路径运算误差，利用计算系统内置程序对路径进行筛选和优化，使用航向控制器控制无人船进行目标跟踪航行。动态目标追踪过程中，在设定好一定的数据指令后，将触发对该动态目标的跟踪航行，直到跟踪目标消失或系统接到停止跟踪的命令[6]。

3 无人船的应用前景分析

3.1 海上搜救

无人船根据雷达系统对于障碍物的精准分类，可以在海运事故、空难事故的海面现场对施救对象进行快速定位并为海上人员提供自主救援的物资设备，在黄金救援时间内为海上人工营救争取时间，给生命营救提供更多希望，提升海上搜救的能力和效率，为海上事故应急提供信息和临时设备的保障。

3.2 军事侦察

无人船可以在军事侦察中的海上侦察监视、情报搜集、扫雷、反潜、反恐等战争和非战争任务当中为海上执勤人员提供援助和保护，并且随着无人船智能技术的不断提高，可以更加密切地配合无人机、无人潜艇等智能军事设备执行反水雷战、反潜作战、武装特种作战等任务，从而提高我国海上军事技术侦察的综合效率，为我国海防安全提供更为牢靠的技术保障。[6]

3.3 气象勘测

无论是客船、渔船、军事舰艇等船只，还是海上航巡、海上赛事等活动都需要提前进行气象勘测，以作为行动可行性的依据，包括沿海城市的气象预报也需要海上气象监测提供相关监测数据。无人船可以通过智能程序在出海时记录海上的风速、风向、水温、浪高、海水盐度、水面和海面能见度，为陆地端提供出海后和未来城市的气象预测，并且可以通过监测中所收集到的异常指标发觉到大型自然灾害的事前迹象，在为海事活动提供预测的同时，也能够为我国沿海城市的自然灾害预防提供更为准确的信息保障。

4 结语

当前各国正在服役的无人船只大都没有实现全程全自主海上航行功能，相应的航行规划和目标跟踪技术程序仍需不断完善，无人船决策系统的智能化水平也需进一步提高，以此来应对未来更为复杂的海事活动。无人船拥有广阔的开发前景，预计能为我国海军装备、海上救援、海防建设等海事活动提供更为现代化的功能保障，所以我国应当加速发展无人船的智能化和提高无人船应用功能的开发力度，积极开展各项无人船关键技术的研究，推进无人船艇的现代化应用进程，加强我国的海事装备力量。