无人水面航行器（USV）发展综述

近年来，无人水面航行器（USV）取得了长足的进步，为需要海上作业的各个领域带来了革命性的变化。本摘要回顾了 USV 的发展情况，重点介绍其应用、技术进步和相关优势。USV 已成为数据收集研究的宝贵工具，尤其是在环境监测和海洋生产政策方面。它们为收集关键数据提供了一种经济高效的手段，有助于这些领域的决策过程。此外，事实证明 USV 在监视领海、保护近海系统以及支持北极地区的石油和燃料活动方面发挥了重要作用。这些能力改善了安全状况，提高了作业效率，降低了参与这些作业人员的风险。USV 的技术进步在其发展过程中发挥了关键作用。增强的自主性、传感器集成和通信系统使 USV 能够自主运行或与有人驾驶的船只协同运行，从而扩大了其能力和用途。此外，导航系统、避障机制和电源管理方面的改进极大地提高了 USV 的可靠性和耐用性，使其能够在极少人工干预的情况下长时间执行任务。总之，无人水面航行器的发展改变了海洋作业的方式。凭借其广泛的应用、技术进步和相关优势，USV 已被证明是各个领域不可或缺的资产。随着研究和创新不断推动该领域向前发展，USV 将在未来的海洋作业中发挥更加重要的作用，进一步提高效率、安全性和可持续性。

引言

近年来，无人水面航行器（USV）取得了重大进展，彻底改变了海上作业。这些发展使 USV 能够在广泛的应用领域大显身手。例如，USV 被广泛用于环境监测和海洋研究，使研究人员能够收集研究生态系统和评估人类活动影响的重要数据。此外，USV 还应用于安全和监视领域，为领海巡逻和保护近海设施提供了高效、经济的手段。USV 技术的进步扩大了其能力，使其成为各种海洋领域不可或缺的工具。

USV 的发展可归功于重大的技术创新。自主导航系统大大增强了 USV 的独立运行能力，使其能够在复杂环境中高效航行并避开障碍物。此外，传感器集成的进步提高了 USV 实时收集和分析数据的能力，使其能够探测和监测环境参数、海洋生物和潜在威胁。先进通信系统的集成增强了 USV 与远程操作员之间的连接和协调，实现了无缝控制和信息交换。

尽管取得了令人瞩目的发展，但 USV 领域仍然存在挑战和限制。管理海上环境中无人系统操作的监管框架仍在不断发展，因此有必要制定明确的指导方针和标准。网络安全问题是另一个挑战，因为 USV 容易受到潜在的网络攻击，从而危及其运行和数据完整性。此外，尽管 USV 已展示出令人印象深刻的能力，但它们在远程操作、续航能力和极端天气条件下的坚固性方面仍面临限制。为了充分释放这些自主水面航行器的潜力，研究人员和工程师仍需重点应对这些挑战，并不断突破 USV 技术的极限。

部署 USV 可为各行业和组织带来诸多益处。通过降低人员成本，USV 有助于提高运营效率和经济可行性。此外，使用 USV 还能最大限度地减少人员与危险环境的接触，从而确保人员安全。USV 能够覆盖更广泛的区域并收集大量数据，有助于进行全面监测和评估，从而改进决策过程。此外，USV 的生态友好型操作最大限度地减少了对生态的影响，使其成为海洋活动的可持续解决方案。

USV 取得了显著进步，改变了海洋产业。这些自动船只应用广泛，从环境监测和海洋研究到安全监控、近海作业和物流，不一而足。USV 的发展彻底改变了海上任务的执行方式，提高了效率、安全性和成本效益。

USV关键技术

技术创新在 USV 的发展中发挥了至关重要的作用。其中一个关键的进步领域是自主导航系统。USV 现在配备了先进的传感器、全球定位系统和制图技术，使其能够自主导航，避开障碍物并遵循预定路线。这种能力提高了其多功能性，使其能够在复杂多变的海洋环境中作业。

传感器集成是 USV 技术的另一项重大发展。USV 现在集成了各种传感器，包括声纳、激光雷达、照相机和环境传感器，使其能够收集大量数据。这些数据可用于环境监测、海洋资源管理和科学研究，为了解海洋健康、海洋生物和生态系统动态提供宝贵的信息。

USV 的通信系统也有了重大改进。这些船只现在可以建立强大可靠的通信链路，使其能够与其他 USV、有人驾驶船只和岸上操作人员进行互动。这种无缝连接增强了它们的协作能力，促进了实时数据交换，实现了远程监测和控制。

能源效率一直是 USV 的发展重点。传统的推进系统已被电动或混合动力系统取代或作为补充，从而减少了燃料消耗和排放。此外，电池技术的进步延长了 USV 的续航时间，使其能够在无人干预的情况下长时间运行。

先进算法和人工智能（AI）的使用大大增强了 USV 的决策能力。机器学习算法使 USV 能够实时分析数据、检测模式并做出明智决策。这种自主水平提高了 USV 适应不断变化的环境条件和执行复杂任务的能力，只需极少的人工干预。

协作自主是 USV 令人兴奋的发展方向。通过利用蜂群机器人技术和分布式控制系统，多艘 USV 可以协同工作，完成单艘船只难以完成或无法完成的任务。这种协作方式提高了效率，可在更大范围内同时进行数据收集或监视。

传感器技术的微型化和进步导致了针对特定应用的专用 USV 的发展。例如，配备专用传感器和设备的 USV 可用于水下勘测、管道检查，甚至协助深海勘探。这些专用 USV 在完成特定任务时具有更大的通用性和更高的效率。

提高耐用性和坚固性是 USV 技术的重要发展。现代 USV 的设计能够承受恶劣的环境条件，如波涛汹涌的大海和极端的温度。其船体和结构由耐腐蚀材料制成，使其能够在严苛的海洋环境中有效运行。

先进的成像和数据处理技术的集成彻底改变了 USV 在水下测绘和勘测方面的能力。多波束声纳系统与先进的成像技术相结合，使 USV 能够生成高精度的海底三维地图，有助于水文测量、水下基础设施检查和水下考古勘探等应用。

USV 已成为海上安全和监视的重要工具。它们配备了高分辨率摄像机、热成像和雷达系统，可以监控和探测可疑活动、执行海上边界管制和保护关键基础设施。USV 可以长时间运行，在偏远或具有挑战性的地区提供持续监视能力。

自适应自主性的发展增强了 USV 在动态和不可预测环境中的行动能力。这些船只可以根据不断变化的条件评估和调整任务，从而能够应对紧急情况、跟踪动态目标或调整行为以符合法规和环境要求。

先进的障碍物探测和防撞系统的集成提高了 USV 的安全性和可靠性。这些系统综合利用雷达、激光雷达和摄像头等传感器来探测和避开障碍物，确保在拥挤的水道或船只流量大的区域安全航行。

USV应用

USV 的进步也为海洋研究领域做出了贡献。这些船只可以收集广泛的海洋学数据，如水温、盐度、水流和溶解氧水平。能够长时间、大面积地自主收集这些数据，使科学家们能够更深入地了解海洋过程和现象。

USV 在近海作业中也有应用，尤其是在石油和天然气行业。它们可以协助监测海上平台、检查水下基础设施和进行环境调查。配备遥控潜水器 (ROV) 等专业设备的 USV 可以执行复杂的任务，减少对人类潜水员的需求，并将风险降至最低。

USV 的进步提高了海上作业的成本效益。USV 无需机载人工操作，从而降低了劳动力成本，提高了运营效率。此外，USV 可以长时间运行，从而减少了频繁更换船员的需要，并可进行连续的数据收集或监视。

USV 有潜力解决海事活动中的环境问题。USV 采用电力或混合推进系统，与传统的有人驾驶船只相比，排放的污染物更少，碳足迹也更小。它们收集环境数据的能力有助于监测和减轻人类活动对海洋生态系统的影响。

USV 与其他自主系统（如无人机和水下机器人）的整合为协作任务提供了新的可能性。通过这些协调行动，可以在多个海洋领域进行无缝数据收集和监测，从而全面了解海洋环境。

USV 的开发和使用遍及各个领域，用途也多种多样。近年来，USV 在军事、环境和机器人研究应用方面取得了重大进展[1]。值得注意的是，以色列和美国在开发用于军事和国防目的的 USV 方面取得了显著进展。此外，加拿大、瑞典、英国、挪威和意大利等国也在这一领域取得了进展。土耳其专门为军事和国防目的开发了两艘 USV，分别名为 GLOBİDA [2] 和 Levent [3]。此外，如 [4]、[5] 和 [6] 等作品所示，还开发了用于民用和培训活动的 USV。

USV 的设计满足了环境研究领域的各种目标，包括环境监测和取样、海岸保护和测深研究[7]。Yaakob 等人[8] 利用能够实时收集数据和远程控制的 USV 进行环境监测研究。他们将这些 USV 用于监测石油泄漏、开展渔业资源研究、评估珊瑚礁的环境状况以及收集水质数据。Majohr 和 Buch[9]利用 USV 验证了进行测量的设备的位置信息，并在考虑到深度和排水量的浅水区提供了路线指引。Martins 等人[10] 利用 USV 收集海洋学数据。Naeem 等人[11] 和 Naeem 等人[12] 利用 USV 进行水污染监测。Pascoal 等人[13] 利用 USV 与自主潜水器一起促进快速声学通信、收集海洋数据并绘制水深图。Caccia 等人[14] 利用 USV 从海面微层收集样本，而[15] 则利用 USV 收集水样。Breivik [16]指出，挪威在多项研究中积极使用 USV，强调与陆基方法相比，USV 能够在短时间内极大地促进数据收集，并通过使用 USV 绘制地图来评估水质和污染。Kale [17] 综述了 USV 在环境监测研究中的应用。Kale [18]强调了 USV 在环境监测研究中的潜力。