2. USV平台与传感器配置

无人水面艇（USV）的导航与任务规划能力，首先取决于平台本身“能不能按指令动”和“知不知道自己在哪里、周围有什么”。本节从船体结构、推进与转向执行机构、导航传感器三个层面展开，重点说明各部件的作用、常见配置方式，以及选型时应抓住的判断依据。

一、船体结构：决定载荷、稳性与任务适配

USV船体通常分为单体、双体和三体三类。单体船结构简单、阻力小、航速较高，适合开阔水域的快速巡检与测绘；双体船横向稳性好、甲板面积大，便于安装多波束、雷达和大型电池组，是水文测量与长航时任务的常见选择；三体船兼顾稳性与耐波性，但结构和控制更复杂。船体材料上，玻璃钢（FRP）成本低、易成型，适合中小型科研艇；铝合金强度高、耐碰撞，适合沿海与内河作业；碳纤维轻质高强，多用于高性能或便携式平台。

选型时要关注三个实际参数：一是有效载荷，即船体在保证吃水和稳性的前提下可搭载的电池、传感器与任务设备总重；二是干舷与抗浪等级，干舷过低容易上浪，影响甲板设备与GNSS天线；三是安装接口，包括桅杆高度、传感器安装板、穿线孔与供电走线。例如一条1.2米级双体测绘艇，若计划加装多波束换能器、GNSS双天线和前置摄像头，需在方案阶段核算载荷余量，避免电池与设备叠加后吃水超过设计值，导致推进器效率下降。

二、推进与转向执行机构：把规划指令变成实际运动

小型USV常见推进形式有螺旋桨推进、喷水推进和差速双桨。螺旋桨推进效率高、成本低，配合舵机实现转向；喷水推进无外露桨叶，适合浅水与多水草环境；差速双桨通过左右桨转速差实现转向，结构简单、机动性好，是许多科研艇的首选。转向执行机构包括舵机、舵叶和矢量喷口，其核心指标是响应时间与控制精度：舵机从收到指令到到位的时间若过长，航向控制会出现明显滞后，在狭窄航道或避障时尤为不利。

实际配置中，推进器推力需与船体阻力和任务航速匹配。以一条总重约60 kg的双体艇为例，若目标巡航速度为1.5 m/s，按经验估算所需推力约为几十牛量级，选型时应留出30%以上余量以应对风浪和污损。控制接口上，推进器与飞控之间通常采用PWM或CAN通信，需确认指令范围、死区与正反转定义，并在下水前完成“前进—停止—后退—左转—右转”的台架联调，观察实际转向方向是否与指令一致，避免坐标系定义错误导致反向控制。

三、导航传感器：分层构建“定位—姿态—感知”能力

USV导航传感器可按功能分为三层。第一层是定位与姿态：GNSS提供经纬度与航迹角，双天线GNSS还能输出航向；IMU提供加速度与角速度，用于短时姿态推算和运动补偿；罗经（磁罗经或光纤罗经）提供绝对航向，弥补GNSS航向在低速时的不足。第二层是环境感知：雷达探测远距离船只与岸线，激光雷达获取近距障碍物点云，视觉相机识别浮标、航道标志与水面目标。第三层是辅助与冗余：如计程仪、水深仪、AIS接收机，用于速度参考、浅水预警和船舶识别。

选型原则可归纳为“任务驱动、精度匹配、环境适应、冗余可用”。测绘任务对定位精度要求高，宜选RTK GNSS并配合IMU做组合导航；避障任务要求感知实时性好，激光雷达与视觉需考虑水面反光、雨雾衰减的影响；长航时任务则要关注传感器功耗与散热。安装上，GNSS天线应尽量高置并远离金属遮挡，IMU应靠近船体重心并刚性固定，雷达与激光雷达需保证视场无遮挡，视觉相机注意防水与防眩光。

四、配置示例与联调判断

以一条1.2米双体测绘艇为例，给出一个可参考的配置思路：船体选FRP双体，载荷余量按电池、飞控、GNSS双天线、IMU、前置相机、近距激光雷达合计约8 kg核算；推进采用双桨差速，单桨推力按巡航1.5 m/s留30%余量；定位用RTK GNSS加IMU组合，航向由双天线GNSS与磁罗经互为备份；感知用前置视觉识别浮标，近距激光雷达补盲。下水前联调时，先在地面确认各传感器数据频率与时间戳一致，再在静水中做“直航—转向—定点保持”测试，观察航迹偏差是否在预期范围内、转向方向是否与指令一致、避障触发距离是否合理。若发现低速时航向抖动，应优先检查罗经受电机磁场干扰或GNSS航向在低速下不可靠的问题，而不是直接调整控制参数。