大多数车辆、船舶和潜航器的单一运动模式往往限制了自身的应用场景。为了充分利用车辆陆上高速越野、船舶水面破袭突击、潜航器水下隐蔽扰敌的特性，各国陆续开展了具备跨域能力的水陆两栖平台研究。水陆两栖平台是一种既可以在陆地上行驶穿梭又可以像船一样在水面泛水浮渡的跨域装备。由于其卓越的水陆通行能力，可从行进中渡海越河而不受桥或船的限制，因此在军事、救灾抢险、海洋环境探测等领域具有独特的价值。然而，由于车辆和船舶设计理念的显著差异，水陆两栖平台要同时满足陆上和水中的行驶需求并非易事。1918年，英国将MarkIX型坦克加上“驼”式浮箱，研发了第一款真正意义上的具有水陆两栖功能的载人坦克。这种装备利用浮箱的浮力漂浮在水面上，通过驱动履带轮划水前进。二战期间，在大规模、高频次的两栖登陆作战需求下，各国开展了多种型号的两栖平台研究，其中以苏联的T-38、T-40侦察坦克、英国的A4E3LE3水陆坦克、美国的谢尔曼DD水陆坦克和LVT系列坦克为突出代表。二战后，两栖平台技术日益成熟，多国形成了专业的两栖装甲作战车辆，如美国的远征战斗载具、俄罗斯的“回旋镖”装甲运兵车和中国的05式两栖装甲车族等。
图1 世界各国水陆两栖有人车辆
(资料图)
21世纪以来，无人系统逐步成为新域新质作战力量，推动战争形态和作战理念在物理域、信息域、认知域和社会域产生重大变革，在战场的侦察、监视、打击、通信、保障等环节发挥着重要作用。水陆两栖无人平台作为无人平台家族的重要组成部分，有望在现代作战中充当着侦察者和先锋军的角色，其上搭载的各种传感器和武器装备模块，可代替人员执行海上侦察监视、目标搜索和登岛作战等危险任务，在提高作战效能的同时也降低了作战人员的伤亡，特别适合于信息化战争“非接触”“非线性”“非对称”“非正规”等方面的要求。从国内需求来看，为了维护我国岛屿主权，保护海洋资源，确保重要海峡的畅通；同时，也为了维护我国的海外利益，保障我国能源供应安全，研究具有优异跨域性能的水陆两栖无人平台具有重要意义。拟根据推进模式将水陆两栖无人平台分为3类：轮/履式水陆两栖无人平台、复合式水陆两栖无人平台和仿生式水陆两栖无人平台，按照分类归纳水陆两栖无人平台的典型样机及其参数，梳理制约水陆两栖无人平台发展的水–陆模式切换技术、通信与导航技术和能源利用技术等3项关键技术，并对未来水陆两栖无人平台的发展方向提出建议。
一、水陆两栖无人平台的应用和分类
如图2所示，水陆两栖无人平台由于具备隐蔽性高、环境适应性强和平台模块拓展性好和卓越的跨域能力，有望在跨域协同、水声组网、载荷投送、水雷探测等军事领域和城市排涝、应急救援、水文勘测等民用领域产生深远的影响。
图2 水陆两栖无人平台的应用领域
⒈军事领域
水陆两栖无人平台在军事领域的应用前景主要体现在特种作战、濒海区军事介入等小规模两栖作战。未来两栖作战将主要谋求有限目标夺占、重心精确打击、“象征性占领”，甚至“威慑性突袭”来实现“作战收益”。水陆两栖无人平台由于其特有的跨域隐蔽能力和机动灵活性，可以担负特种军事任务。美国国防部2018年发布的《2017—2042财年无人系统综合路线图》中提出要发展“分布式”“多作战域”“智能化”作战理念，全面发展美军用无人机、无人潜航器、无人水面艇、无人地面车辆等。然而，在近期的俄乌战场中，以无人机为代表的新型无人装备单机作战多，协同使用少；无人机与其他兵力兵器联合作战的能力弱。在多平台、体系化、综合性的协同使用尚未成型前，使用单一无人系统水陆两栖无人平台来代替无人车与无人艇多种无人系统协同作业，可以有效地降低使用风险和操纵难度。在近海作战中，水雷战是最常见的海上作战样式，对争取海上战争的主动权有着重要作用。美国海军作战部长办公室（OPNAV）于2022年7月宣布了无人感应扫雷系统（UISS）达到初始作战能力（IOC）。然而这种水面无人艇在浅滩等复杂环境下通过性差且运输投放以及回收充电等方面能力不足，作业成本高昂。而水陆两栖无人平台对复杂海况以及浅滩环境下锚雷、沉底雷、掩埋雷的探测、定位和识别具有天然优势。平台通过搭载各种传感器和武器装备模块，代替人员执行大范围探测水雷、猎灭雷等反水雷危险任务，在提高作战效能的同时大幅度降低作战人员的伤亡。在抢滩登陆作战中，作为可携带武器进行自主作战的装备，水陆两栖无人平台可以充当第一波登陆作战武器，在避免人员伤亡的前提下，压制、摧毁敌军防御火力点；同时还可以充当无人载具将作战力量从大型两栖舰艇上，转运到滩头阵地，并提供相应的火力支援，水陆两栖平台军事应用概念如图3所示。
图3 水陆两栖平台军事应用概念图
⒉民用领域
水陆两栖无人平台在民用领域也有十分广阔的应用前景。在城市排涝中，主要采用的仍是防洪泵和移动排涝泵车等。而对于这种机动灵活的新型水陆两栖机器人来说，它可以深入城市车库、地铁站、隧道、涵洞、城市狭小道路等地快速排涝救援，同时具备音、视频侦察、水中漏电检测、灾区环境侦察等功能，有效提高预警抢险的机动性和时效性。除此之外，随着近海水域和小型河道湖泊垃圾不断聚集，这种新型两栖平台可以针对城市河道，小型人工水面以及近海海域水面垃圾富集区域执行清扫任务，结合清理设备的无人化，智能化大方向，赋予垃圾清理设备新的内涵。另外，作为一款海洋装备，两栖平台在海洋资源勘探、近海风电的装机与维修、水下摄影等方面还有着广泛的应用前景。
⒊水陆两栖无人平台的分类
由于车辆和船舶设计理念的显著差异，平台要同时满足陆上和水中的行驶需求并非易事。作者对世界各国的样机充分调研后，按照推进模式的不同，可以分为轮/履式水陆两栖无人平台、复合式水陆两栖无人平台和仿生式水陆两栖无人平台3大类，如表1所示。以下将介绍这3大类水陆两栖无人平台的典型样机，并对其关键技术包括水–陆模式切换技术、通信与导航技术以及能源利用与载荷技术展开分析。表1 水陆两栖无人平台分类
二、水陆两栖无人平台的国内外发展现状
⒈轮/履式水陆两栖无人平台
水陆两栖无人平台的种类繁多，根据陆地上行进装置的不同，可分为轮式和履带式2种。与履带式平台相比，轮式平台的道路机动能力强，并且速度快、成本低，但不适合抢滩登陆的长时间远距离浮渡。而履带推进模式在泥泞、崎岖的非结构路面上越障能力强、通过性高。轮/履式水陆两栖无人平台通常较多是由全地形车辆或无人艇演化而来，可以使用各种模块化有效载荷执行多样化任务，技术发展较为成熟。俄罗斯、加拿大、德国、英国、西班牙等均开展了相关的研究，世界各国轮/履式水陆两栖无人平台典型样机如图4所示。
图4 世界各国轮/履式水陆两栖无人平台典型样机
2016年，俄罗斯于“ARMY-2016”军事和技术论坛上推出的Vihr是最早被报道的两栖无人装甲车。Vihr由BMP-3步兵战车改装而来，集侦察打击为一体，可以协助部队进行火力支援并代替士兵深入前线，其顶端集成的ABM-BSM30遥控武器站有一个用于探测地面和空中目标的光电综合体、一门30mm的2A72自动火炮、一挺7.62mm的PKTM机枪和一门Kornet-MATGM，可远程遥控攻击地表和空中的目标。2017年4月，ARGO公司为加拿大国防研究与发展部研发并提供3辆J8AtlasXTR两栖无人车平台。J8AtlasXTR是一辆电动8轮两栖全地形无人车，采用模块化的设计，上部可集成无人机、红外探测仪、声学运动传感器、轻武器和大口径发射器等载荷。模块化平台还可容纳担架、除颤器和绷带等急救用品，并能在无GPS信息环境跟随驾驶员自主作业。基于J8AtlasXTR平台，ARGO公司于今年1月份与美国的Vanguard公司合作发布了两栖无人平台R8Integrator，进一步提升了平台的集成度。2018年6月，莱茵金属公司（Rheinmetall）推出MissionMaster系列无人地面平台。该系列分为运输保障、火力支援和战场救护3个版本，可多台车辆集群作业，执行不同的任务，包括区域监视、侦察、目标位置转移和转向提示等。车辆与Argus士兵系统和Rheinmetall指挥和控制软件联网，使得各车之间可以相互通信实现战场态势感知，并接收网络、卫星远程指挥信息，并于2020年4月交付英国武装部队。2019年4月，青岛无疆技术有限公司和中船重工武船集团模块公司推出“海蜥蜴”两栖无人战车。该车采用4组可收缩式履带，2组喷水推进装置，三体船形结构，海面最高速度50kn，可按照作战要求进行隐蔽休眠、智能巡航、快速突击和抢滩登陆，实现特战队员水上投送、边防巡逻、近岸警戒、岛礁机场防护等任务。2019年12月，北京理工大学研制的小型水陆两栖无人平台装备双喷水推进器，4个轮胎由4组电机独立驱动实现差速转向，可适应沙滩、土路等路面，配备九轴陀螺仪和北斗定位仪，实时监测平台速度、加速度、艏向角、纵倾角、横倾角、升沉和轨迹等数据并发送至控制端。全平台除电动推杆外防护等级为IP68，电动推杆防护等级为IP67，可保证在水中长期正常工作。2021年3月，英国国防部资助Ultrabeam Hydrographic公司开发了一款全自主两栖侦察测绘车Argonaut。平台配备声呐、激光测距仪、多普勒仪和惯性导航系统，可以对水域进行3D实时测绘并自主规划航迹，将信息实时上传至移动指挥中心，进而为军队提供沼泽、河流、溪流等水域环境信息。同年11月，西班牙SASCorp公司推出Valkyrie两栖重型无人战车。Valkyrie采用柴电混合动力，续航8h以上，可越过0.7m的垂直墙，具备态势感知能力，根据载荷不同可分为运输、工程、排爆以及机枪载荷4个版本，未来可搭载反坦克导弹发射器。2022年2月，北京理工大学流体机械工程研究所针对水陆交界复杂地貌条件下的搜索、侦察、巡逻等任务需求，完成了“扬子鳄”水陆两栖无人平台集成设计和原理样机研制。平台水陆两栖运动模态可自由转换，陆地最大行驶速度5m/s，水面最大航速4m/s，水下最大航速3m/s；陆地最大爬坡度不小于30°，可行驶于草丛、砾石、沙滩等复杂路面，水下最大下潜深不小于10m；具备摆脱水草缠绕能力；采用视觉图像识别、光学定位、声学辅助测量等跟踪定位模式实现优异的低慢小目标跟踪；运动控制采用速度反馈和角度反馈，控制精度不大于3%；可通过机构变形和姿态调节实现不同工作场景下的模态切换，采用多链路无线通讯对两栖平台进行远程或自主操控以及数据传输。2022年11月，兵器装备集团公司推出新型两栖无人战车。新型两栖无人战车在研制之初就秉持了“海上为主、陆上其次”的开发原则，采用4组三角型履带，喷水推进装置，船型车首设计，作战任务以侦察监视、情报收集、引导打击为主。以上对近年国际主流的两栖无人平台进行了简述，从几款典型样机的机械结构和作业环境可得到以下结论：⑴从几款成熟的产品来看，目前大部分两栖无人平台采用轮式结构。轮式结构还可分为六轮式和八轮式等。六轮式平台在平地直行速度上更快，而八轮式平台机动性好，因此尤其适合在复杂水陆环境下的快速转向避让等。⑵上述几款轮式两栖无人平台均为排水型结构，水中阻力较大，航速基本在10km/h以下；而“海蜥蜴”和“海上蛟龙”战车采用船型设计，有效地减小了阻力。⑶轮式平台的主要作业区间为陆上，水上作业能力较差，均无水下作业能力，因此只有Valkyrie和北京理工大学的轮式平台配备了喷水推进装置，其余均为划水推进；而我国开发的履带式两栖平台均以海上作业为主，因此均配备了高功率密度的推进装置。⑷）为了更多的浮力储备，平台的两栖版本相比于同系列的纯陆上版本，火力能力和装甲防护能力较差，因此主要定位在侦察搜救而非作战，平台均配置多型号传感器。
⒉复合式水陆两栖无人平台
传统轮式和履带式结构平台在水中的推进模式为划水推进、螺旋桨推进和喷水推进3类。划水推进利用履带或轮胎与水的相互作用力控制航行器进退，这种方式简化了机身结构，但其能量转化效率低、速度慢；螺旋桨推进是主流的推进工具，但存在噪声和振动的问题；喷水推进操纵性能好，但其机械传动机构仍然比较复杂，不易简化。因此，将陆上推进的轮式结构与水中推进的螺旋桨结构集为一体的新型复合式两栖无人平台逐步成为了研究领域的重点。1999–2004年，美国国防高级研究计划局（DARPA）赞助加拿大麦吉尔大学和美国的多所高校联合研发了RHex系列机器人。RHex系列从最初版本的六足陆基机器人“Research-Rhex”，逐步迭代了具备两栖功能的Shelly-RHex、Rugged-Rhex和AQUA三款机器人，如图5所示。初版的Research-RHex每条腿只有1个自由度，通过改变驱动电机的伺服参数控制机器人步态，可以在灌木丛、铁轨等地形中穿行。第1个改进版本Shelley-RHex设计了轻量化的碳纤维曲面外壳使得RHex可以在水面上划水，成为了一款具备两栖功能的机器人。第2个改进版本Rugged-RHex在优化了其它性能的同时，新增了10m以内的潜水功能。2004年，麦吉尔大学的GERMAN教授等人在前者的基础上推出了第3个版本AQUA。
图5 RHex系列平台
AQUA可以沿着海岸行走，在开阔水域表面游泳，同时可以在海底潜水并行走，具备水下目标检测、环境建模与场景重建、自主规划路径等功能。通过6条单自由度腿，AQUA可以实现五自由度运动：起伏（heave）、横摇（roll）、首摇（yaw）、纵摇（pitch）和纵荡（surge），目前已经进行了多次水下相关实验。由于这种腿蹼式平台在水中主要是依靠划水前进，效率比较低，推进速度也很慢，在陆地上由于刚度低导致越障能力较弱，因此各国研究员采用了不同的方式改进推进装置。2005年，美国海军研究所与凯斯西储大学将陆基的Whegs平台改造成用于浅海激浪区的两栖机器人WhegsⅣ。与陆基平台相比，WhegsⅣ升级的轮腿桨装置在不影响陆上越障能力的基础上提高了水中的推进力，如图6所示，内部还配备了电子设备和传感器使其可以在水陆交界处两栖自主作业。
图6 WhegsⅣ水陆两栖机器人设计
2010年，中科院沈阳自动化研究所YU等人推出了一款轮–螺旋桨–腿一体化的两栖平台。该平台将螺旋桨和方向舵与陆地机器人的轮子和腿相结合，组成了2种运动模式，一种是在陆地或海底的爬行运动模式，另一种是水中的游泳运动模式。这2种运动方式可根据环境自动切换，如图7所示，因此具备很强的环境适应性。
图7 轮–螺旋桨–腿两栖机器人模式切换示意图
2013年，麦吉尔大学的智能机器中心在AQUA的基础上设计了“Ninjalegs”结构。“Ninjalegs”是一种由玻璃纤维制成的半圆形机械腿，将行走腿和游泳鳍很好地结合，在不影响陆地行进的同时保护脚蹼。实验测试证明，这种结构在陆上速度、稳定性、水中推力均超过了AQUA平台。2015年，中国科学技术大学推出AmphiHex-I两栖平台，其特点在于它的可变推进机构可以从直的鳍状肢转换为弯曲的腿。通过实时调整运动步态，如图8所示，它可以很好地适应滨海地区的泥质和沙地等松软地形。由于鳍状肢刚度低灵活度差，该团队又于2018年推出了AmphiHex-II两栖机器人，将鳍状肢升级成一种可变刚度扇形腿，进一步提升了对环境的适应性。
图8 AmphiHex-I两栖平台鳍状肢示意图
2022年，哈尔滨工程大学的研究人员针对AQUA游泳能力不足的缺点，设计了一种螺旋桨–腿式复合推进机构]，如图9所示。这种机构可以使得SHOALBOT平台在水中六自由度运动，同时不影响在陆地上的性能，实现了从二维空间到三维空间的运动能力扩展，具备了在浅滩两栖环境的多模态运动能力。
图9 SHOALBOT平台及其螺旋桨–腿式复合推进机构
以上对近年来新型复合式水陆两栖无人平台的发展现状进行了概述，从已有代表性样机的机械结构和作业环境分析可得到以下结论：⑴新型复合式推进机构可以有效的简化复杂度并节省空间，但是在速度、平稳性和效率不如传统的推进装置；⑵目前样机由纯足式仿生设计逐步演化成轮–螺旋桨、腿–螺旋桨等复合设计，将作业区间从水面和海底逐步扩展为水中的六自由度立体运动，提升了对环境的适应性；⑶水–陆过渡过程和陆–水过渡过程是新型复合式水陆两栖无人平台的2个关键过程。目前样机研究多采用步态设计和形态切换，如AmphiHex-I切换鳍状肢为腿并改变步态，SHOALBOT调整螺旋桨-腿的角度等。⒊仿生式水陆两栖无人平台仿生式航行器通常模仿自然界中具备两栖生存能力的生物，具备很强的环境适应性和广阔的应用场景。与轮/履式两栖平台相比，它可以潜水，应用场景更广；与复合式航行器相比，它的推进噪音小、效率高。根据不同的生物特点，许多机构开展了蛇、蝾螈、虾、蟹、鳐鱼等生物原型与航行机理的研究。仿生机器人的几款典型样机如图10所示。
图10 仿生式水陆两栖平台的典型样机
2001年，日本东京工业大学的广濑茂夫教授团队研发了一款HELIX蛇形机器人，并于2005年研发了升级版ACM-R5两栖平台。这款机器人由8个关节组成，长1.6m，重量6.5kg，蛇身周围安装有游泳鳍，底部安装有被动轮，陆地和水中的行进速度约为0.4m/s。广濑茂夫教授的研究首次开创了蛇形两栖机器人领域，并克服了将蛇形机器人应用于实践的技术难题，为蛇形机器人的实际应用打下了坚实的基础。2004–2007年，瑞士洛桑联邦理工学院的IJSPEERT等人研制了AmphiBotI、AmphiBotII 2款两栖仿蛇形平台。他们通过研究机器人的振幅、频率和波长与自身速度的关系改进了机器人的步态，为机器人在陌生环境的实时最优控制打下了基础，但目前该研究仍停留在样机测试阶段。与此同时，IJSPEERT等人又参考鳄鱼、蝾螈、蜥蜴等四足爬行类两栖生物，提出了一种调节这些四足动物的速度、方向和步态类型的神经机制模型并先后研制了SalamandraRoboticaI、SalamandraRoboticaII 2款蝾螈平台样机。2015年，他们又提出一款具有27个自由度的两栖蝾螈平台Pleusrobot，深入地研究了蝾螈在水、陆2种环境下的步态特征、神经生物学和数值模型，验证了这种仿生驱动方式在水和陆地中都能够产生良好的推进性能。虾、蟹等节肢动物是两栖仿生平台的另一个方向。美国东北大学海洋科学中心生物系的AYERS等于2004年开发了一种基于龙虾的仿生机器人。该机器人安装了8个三自由度镍钛记忆合金腿，通过中央神经控制器改变合金的温度控制腿部伸缩，进而控制机器人运动。2011年，韩国的船舶与海洋工程研究所研制了一种名为CRABSTER200（CR200）的六足两钳仿蟹式海底行走机器人，可以调整腿部姿态减小阻力并实现海底爬行。这2款平台验证了节肢动物仿生驱动方式的可行性，但均不能游泳。2017年，美国海军实验室（Officeof Naval Research）和Pliant Energy Systems公司合作研制了一款仿鳐鱼两栖平台Velox。Velox依靠两侧灵活的双曲线“鳍”状飘带来驱动自身前进。在水–陆过渡（出水）过程中，Velox将鳍片旋转90°呈竖直状从而支撑自身在冰等固体表面上移动。研究员下一阶段的目标是系统自行停泊，利用鳍片的起伏借助海流为电池充电。根据上述两栖仿生平台的发展概述，可得到以下结论：⑴仿生水陆两栖平台均能在海岸、滩涂等两栖环境下行动，有更强的地形适应能力如仿蛇和蝾螈式机器人能深入管道和洞穴进行探测；并且这些仿生类机器人体积小，噪声低，隐蔽性好，应用前景十分广阔；⑵迄今为止，仿生两栖平台通常采用了复杂的机械结构和控制架构，装载了许多传感器和控制器等，因此仍停留在实验室原理样机阶段，仅在复杂的室外环境中进行了部分测试。
三、水陆两栖无人平台发展的关键技术
以上对近些年的水陆两栖无人平台进行了梳理，根据推进模式的不同，将水陆两栖无人平台分为了轮/履式、复合式和仿生式3种发展方向。经过对不同发展方向的代表进行梳理，可总结出水陆两栖无人平发展的关键技术为以下几个方面。
⒈水陆两栖无人平台的水–陆模式切换技术
作为一种既可以在陆地上行驶穿梭又可以像船一样在水面泛水浮渡甚至可以像潜艇一样在水下潜行探测的跨域平台，在不同介质中实现稳定高效的运行是最基本的要求。平台在陆地上行驶时大多是二维的平面运动，而在水中航行时，由于水的粘滞阻力远超空气，机体会产生剧烈的摇晃从而对自身的平衡和控制造成极大的影响。为了适应在水中的航行要求，航行器主要采用了变体结构和步态算法调整两种方法实现水–陆模式的切换。表2 水陆两栖无人平台典型样机的场景/任务切换方式
变体技术是指根据不同的任务和环境改变航行器的外形以实现最佳的气动性能，由于其具有独特性质，已被广泛应用于航空航天、土木工程、医学、仿生机器人等领域。在水陆两栖平台中，变体结构通常体现为可收缩式履带、可切换式轮–桨和腿–鳍、仿生扑翼设计等。可收放式履带通过收回负重轮，同时两侧滑板向外翻转将履带完全遮盖在机体底部，形成一个完整的滑板结构，大大降低水面航行的阻力。采用此种设计的“海蜥蜴”无人两栖战车的最大航速50kn，远超同类的平均水准；“扬子鳄”水陆两栖平台通过调节履带高度，还可以提升陆上越障性能。但可收放式履带不仅增大了结构的复杂程度，往往还影响到了车身的内部空间设计。为了减少对车身内部的影响，一些平台通过改变推进器的形态实现任务和工作场景的切换。如可切换式轮–桨和腿–鳍设计是指通过旋转、收放、拉伸等形式改变推进器的形态从而完成水陆环境的切换。但是这种高频率、往复式变换一方面会对推进器的结构产生疲劳，另一方面根部位置承担了较大的锁定和收放力矩，因此降低了使用寿命。仿生扑翼设计参考扑翼式鳐鱼生物在水中的运动，通过仿生水翼的往复变换产生推进力和升力，可以有效地降低水中的行进阻力。但鱼类对水流的变化感应十分灵敏，而仿生扑翼设计需要通过传感器接收信息再经过反馈调整游动状态，对传感控制系统提出了很高的要求。
步态算法调整主要是平台通过改变步态以适应不同的任务需求。最初的腿型平台在水中依赖划水推进，效率很低。而步态算法通过协调各足摆动轨迹和机体运动配合可实现水中的起伏、横摇等六自由度复杂仿生运动。AQUA系列腿型机器人和Pleusrobot蝾螈式机器人可以对足端轨迹进行参数化处理，针对陆地和水域环境不同需求分别设计不同的足端轨迹，实现了水中的减阻优化。CR200具备多套行走算法，在水底作业时，可以根据不同的环境和任务自由转换。
⒉水陆两栖无人平台的通信与导航技术
通信与导航技术是水陆两栖平台的“千里眼”和“顺风耳”，是决定平台能否顺利到达指定位置并开展作业的关键，也是群体智能、跨域协同、载荷投送等能力的基础。如表3所示，目前水陆两栖无人平台的导航方式按照是否依赖外部设备可分为非自主导航、自主导航和组合导航3种。表3 水陆两栖平台的导航分类
非自主导航是指用平台内外设备的协同工作进行的导航，如卫星导航系统（GNSS）、超短基线定位系统（USBL）等。全球定位系统（GPS）、北斗系统（BDS）等卫星导航系统利用卫星与平台内接收机通信确定自身位置（经度、纬度和高度）。卫星导航系统相较于惯性导航而言，结构简单、覆盖范围广、民用价格低、操作简便。通过在地图预设航点和轨迹，J8AltasXTR、Valkyrie等两栖平台可以自主行进和返航，维护成本很低。但是由于卫星导航需要借助无线电传输信息，因此在高楼、水下等环境中会受到很强的干扰，产生较大误差，如轮–螺旋桨–腿式平台在水下时可以通过压力传感器获取潜水深度，但会失去与水面的通信和GPS定位信息。超短基线定位系统（USBL）是一种不借助无线电而是利用声波的水下定位技术。CR200在水底时，利用声波与水面应答器的相位和时间差获取坐标和深度信息。
自主导航是一种不需要借助外界设备进行的导航。在水下作业时，平台可以借助惯性导航系统（INS）和地磁导航系统进行自主导航。给定初始状态后，INS可以利用加速度计和陀螺仪不断测量加速度和角速度计算自身所处位置、姿态和速度，因此不需要外部的信息参考。Argonaut平台的惯性导航系统能够以200次/秒的速度进行测量计算，可获得实时3D导航和数据显示。INS可以在一定时间内保障数据的准确性，但是随着时间的积累，会产生较大的误差。地磁导航作为另一种自主导航方式，通过测定载体所在位置的地磁场特征信息，可确定出自身所在位置。仿龙虾式平台中集成了一个磁通门罗盘，可在8个航向扇区中提供3位分辨率。但是由于地磁导航系统容易受到外界地磁场干扰，因此精度较差。组合导航通常将2种或更多的导航技术相结合，通过滤波器进行数据融合得到当前位置，如GPS/INS组合导航、SLAM/INS组合导航等。SHOALBOT采用GPS/INS组合导航方式，使得导航系统获得了较强的抗干扰性、更高的数据更新率和更好的导航精度，提升了整个系统的性能。SLAM是一种机器人在未知空间自主获取定位和建图的技术，通过将不同时间单目或双目相机拍摄的图像变化进行比对，可以对自身位置进行估算。AQUA平台采用SLAM/INS组合导航，提升了定位精度，解决了摄像头在水中拍摄的照片对比度低和色彩失真的问题。水陆两栖平台在陆地和浅水区作业时，通常采用常规的无线通信系统，如移动通信系统（1G–5G）、卫星通信系统、Wi-Fi、蓝牙、超宽带（UWB）、广播系统、军用数据链等；平台在深水中活动时，由于电磁波在水下严重衰减，主要为“有缆+无线”的方式与外界进行通信。北京理工大学“扬子鳄”水陆两栖平台可利用浮标和缆线，实现平台在水下作业时与外界的实时通信。Velox在水下进行矿物勘探时，采用无线通讯的方式，向水下的无线基站发送信号经光缆传向水面舰艇，见图11。
图11 水陆两栖平台不同通信方式
⒊水陆两栖无人平台的能源利用技术
水陆两栖无人平台实际航行于不规则海浪和复杂水陆环境中，一方面受水陆交界面横向海流、波浪以及涌流等非线性冲击影响，另一方面携带的多型号传感器和载荷需要与外界频繁通信，能源衰减很快。AmphiHex-I在户外作业时，自身的10A·h电池仅能提供15min续航，而外接缆线又严重限制了平台性能。因此无人平台的推进、传动、载荷的功率优化匹配与控制等能源利用技术是重点和难点，见图12。
图12 水陆两栖平台功率分配图
现有平台的主要动力源包括燃料和电池。轮/履式平台多采用柴油机–电池混合的动力来源，主要有2方面原因：一是水面可以充分接触空气，为柴油等燃料的使用提供了可能性；二是这些航行器多是执行军事和特种任务，对续航和动力提出了很高的要求，采用混合动力可以使柴油机工作在油耗低、航程大的最优工况，有利于航行器在野外长时间静默工作。由于在水下难以接触到空气，作业在水下的航行器几乎均采用电池驱动。以轮/履式平台为例，平台通常配备了光–电复合探测装置、雷达、摄像头、声呐等多型传感器，同时搭配了无人机、轻型机枪、反坦克武器、水面信号中继装置等载荷，对能源分配与利用提出了很高的要求，见表4。表4 轮/履式水陆两栖平台动力源、推进模式和载荷
四、结束语
水陆两栖无人平台在军事方面作为一种新域新质作战力量，具有隐蔽性、零伤亡、空间广等诸多优点，在未来战场中将肩负着越来越重要的任务；在民用领域也将随着近海勘测、应急救援等各种新型垂直应用场景的挖掘而不断更新换代，必将迎来更广阔的空间。
本文从水陆两栖平台的历史发展着手，对两栖平台从载人到无人的发展进行了详细介绍，根据推进模式的不同将现有水陆两栖无人平台分为轮/履式水陆两栖无人平台、复合式水陆两栖无人平台和仿生式水陆两栖无人平台3类，按照时间的发展顺序选取国内外无人航行器的典型样机进行介绍，并详细地讨论了制约水陆两栖无人平台发展的水–陆模式切换技术、通信与导航技术、能源利用与载荷技术3项关键技术。对于水–陆模式切换技术，可收放式履带、可切换式轮–桨及腿–鳍和仿生扑翼等变体结构设计可以提升环境适应力，但需考虑机构的疲劳损伤和使用寿命，同时需要为机构的往复式运动预留冗余空间；而调整步态算法不需要设计额外的机械结构，但平台的水中航行速度、陆上越障能力等多方面性能表现仍有较大的提升空间。因此如何采用兼容性好的变体结构设计和环境适应性强步态算法是需要重点考虑的发展方向；对于通信与导航技术，鉴于目前水下无线通信技术仍不成熟，建议平台采用水中有缆和陆上无线的通信设计方案，同时建立新型抗干扰能力强、精度高的组合通信机制，如基于磁感应的跨介质通信技术和基于信号处理的水下无线光通信技术。对于能源利用技术，从供能端考虑，平台采用燃料作为动力源可提供稳定、成熟、长时的供能保障，为加装多样化的上装载荷提供了可能，而采用电池供能简单高效，有利于平台的小型化和轻量化设计。从节能端考虑，在不规则海浪和复杂水陆环境中，如何对无人平台的推进、传动、载荷进行功率优化匹配是能源利用技术的关键。
北京市科技装备业商会