Bezzałogowy pojazd nawodny (ang. unmanned surface vehicle, unmanned surface vessel, uncrewed surface vessel, USV), określany w polskim piśmiennictwie także jako bezzałogowa jednostka nawodna lub – w odniesieniu do odmian autonomicznych – autonomiczny pojazd nawodny, a w prasie również jako dron morski – łódź lub statek poruszający się po powierzchni wody bez załogi na pokładzie. USV mogą działać na różnym poziomie autonomii: od zdalnego sterowania po w pełni autonomiczne pojazdy nawodne (ASV). == Historia i rozwój == Już podczas I wojny światowej Niemcy zaprojektowały i wykorzystywały zdalnie sterowane łodzie FL do ataków na brytyjskie okręty wojenne. Pod koniec II wojny światowej zdalnie sterowane USV były używane przez marynarkę wojenną USA jako cele nawodne i do zadań przeciwminowych. W XXI wieku nastąpił rozwój nowoczesnych systemów sterowania i nawigacji, który doprowadził do upowszechnienia i dojrzalszych form USV — zdalnie sterowanych z lądu lub z pobliskiej jednostki, USV działających częściowo autonomicznie oraz USV (ASV) działających w pełni autonomicznie. Współczesne zastosowania i obszary badań nad USV i ASV obejmują komercyjną żeglugę handlową, w tym eksperymentalne przewozy ładunków na krótkich trasach, czego przykładem był autonomiczny transport ostryg, oraz rozwój autonomicznych statków towarowych Yara Birkeland, a także eksperymentalne jednostki badawcze, takie jak Mayflower Autonomous Ship. USV wykorzystuje się również do monitoringu środowiska i klimatu, badań oceanograficznych oraz badań strefy przybrzeżnej, m.in. z użyciem platform Saildrone i Wave Glider, zdolnych do długotrwałego zbierania danych o warunkach oceanicznych i atmosferycznych, a także niedrogich autonomicznych jednostek wyposażonych m.in. w systemy unikania przeszkód. Ważnym obszarem zastosowań jest też mapowanie dna morskiego, Saildrone Surveyor był wykorzystywany przez NOAA do hydrografii i odkrywania wcześniej nieopisanych form dna. Do zastosowań transportowych należy także automatyzacja promów pasażerskich, czego przykładem były próby fińskiego promu Falco, który odbył rejs autonomiczny, a następnie był także sterowany zdalnie. USV stosuje się ponadto do obserwacji oraz inspekcji mostów i innej infrastruktury wodnej, na przykład z użyciem zdalnie sterowanych łodzi sonarowych do wykrywania rozmycia podpór podczas wysokich stanów wód. W zastosowaniach wojskowych USV służą m.in. do rozpoznania, działań przeciwminowych, ochrony portów, patrolowania akwenów oraz śledzenia okrętów podwodnych; przykładami są amerykańskie systemy Mine Countermeasures Unmanned Surface Vehicle (MCM USV) oraz Sea Hunter. Pokrewnym kierunkiem rozwoju są jednostki zdolne do żeglugi autonomicznej lub bezzałogowej, które stanowią rozwinięcie tych samych technologii sterowania, nawigacji i unikania przeszkód. 17 stycznia 2022 roku jednostka Soleil z powodzeniem ukończyła pierwszy w pełni autonomiczny rejs morski. Rejs demonstratora zbudowanego przez Mitsubishi Heavy Industries przeprowadzono we współpracy z Shin Nihonkai Ferry. Siedmiogodzinny rejs na odcinku 240 km, z Shinmoji w północnym Kiusiu do akwenu Iyonada, odbył się z maksymalną prędkością 26 węzłów. W sierpniu 2022 roku MV Mikage armatora Mitsui O.S.K. Lines przepłynął 161 mil morskich w dwa dni, z Tsurugi do Sakai, kończąc pierwszy bezzałogowy rejs morski obejmujący także autonomiczny manewr dokowania przybrzeżnego statku kontenerowego. === Platformy autonomii USV === Powstało wiele platform autonomii (oprogramowania komputerowego) przeznaczonych specjalnie do operacji USV. Część z nich jest związana z konkretnymi jednostkami, a część może być stosowana na różnych kadłubach i w różnych konfiguracjach mechanicznych oraz elektrycznych. == USV sterowane i obsługiwane komputerowo == Projektowanie i budowa bezzałogowych jednostek nawodnych są złożone i wymagające. Należy przeanalizować i wdrożyć setki decyzji dotyczących celów misji, wymagań dotyczących ładunku użytecznego, budżetu energetycznego, konstrukcji kadłuba, systemów łączności oraz sterowania i zarządzania napędem. Budowniczowie jednostek załogowych często polegają na jednym dostawcy w zakresie napędu i aparatury, aby ułatwić załodze kontrolę nad jednostką. W przypadku jednostki bezzałogowej lub opcjonalnie załogowej trzeba zastąpić elementy interfejsu człowiek–maszyna zdalnym interfejsem człowiek–maszyna. === Zagadnienia techniczne === Bezzałogowe jednostki nawodne mają rozmiary od poniżej 1 metra długości całkowitej do ponad 20 metrów, a ich wyporność waha się od kilku kilogramów do wielu ton. Oznacza to, że systemy napędowe obejmują bardzo szeroki zakres mocy, interfejsów i technologii. Typy interfejsów, w przybliżeniu od systemów najmniejszej do największej mocy: elektroniczne regulatory prędkości sterowane PWM dla prostych silników elektrycznych, magistrale szeregowe używające poleceń kodowanych w ASCII, magistrale szeregowe używające protokołów binarnych, interfejsy analogowe spotykane na większych jednostkach, zastrzeżone protokoły CANbus używane przez różnych producentów silników, zastrzeżone protokoły CANbus używane przez producentów ogólnych sterowników silników. Wiele z tych protokołów przesyła polecenia do układu napędowego, ale nie zwraca informacji o stanie. Informacja zwrotna o osiągniętej liczbie obrotów może pochodzić z impulsów tachometrycznych albo z czujników wbudowanych, generujących dane CAN lub szeregowe. Można również stosować inne czujniki, np. pomiar prądu silników elektrycznych, który daje wskazanie dostarczanej mocy. Bezpieczeństwo jest krytyczne, szczególnie przy dużych poziomach mocy, ale nawet małe śruby napędowe mogą powodować uszkodzenia lub obrażenia, dlatego system sterowania musi być projektowany z uwzględnieniem tego aspektu. Jest to szczególnie ważne w procedurach przekazywania sterowania na łodziach opcjonalnie załogowych. Częstym wyzwaniem w sterowaniu USV jest uzyskanie płynnej reakcji przy przejściu od pełnego biegu wstecz do pełnego biegu naprzód. Jednostki załogowe zwykle charakteryzują się szeroką martwą strefą wokół położenia „stop”. Aby osiągnąć dokładne sterowanie różnicowe, system sterowania musi kompensować tę martwą strefę. Silniki spalinowe zwykle przekazują napęd przez przekładnię, co oznacza nieuniknioną nagłą zmianę przy jej załączaniu; system sterowania musi to uwzględniać. Napędy strugowodne stanowią tu wyjątek, ponieważ dostosowują ciąg płynnie przez punkt zerowy. Napędy elektryczne często mają podobną martwą strefę, dlatego system sterowania musi zachować tę charakterystykę z myślą o człowieku na pokładzie, a jednocześnie ją wygładzać na potrzeby sterowania automatycznego, np. podczas manewrów z małą prędkością i przy pozycjonowaniu dynamicznym. == Oceanografia, hydrografia i monitoring środowiskowy == USV mają dużą wartość w oceanografii, ponieważ są bardziej manewrowe niż zakotwiczone lub dryfujące boje pogodowe, a zarazem znacznie tańsze od odpowiadających im statków pogodowych i badawczych. USV używane w badaniach oceanograficznych są zwykle zasilane i napędzane przez odnawialne źródła energii. Przykładowo wave glider wykorzystuje energię fal jako główne źródło napędu, natomiast jednostki Saildrone używają wiatru. Inne USV wykorzystują energię słoneczną do zasilania silników elektrycznych. Długotrwałość działania oceanicznych USV zasilanych energią odnawialną mierzy się zwykle w miesiącach. Jeszcze na początku 2022 roku USV były wykorzystywane przede wszystkim do monitoringu środowiskowego i pomiarów hydrograficznych, a przewidywano dalszy wzrost ich użycia do monitoringu i obserwacji bardzo odległych obszarów ze względu na ich potencjał do zastosowań wielodyscyplinarnych. Niski koszt eksploatacji pozostaje jednym z najważniejszych czynników sprzyjających upowszechnieniu USV w porównaniu z jednostkami załogowymi. Wśród innych czynników wymieniano ograniczenie ryzyka dla ludzi, efektywność przestrzenno-czasową, długotrwałość działania, precyzję i możliwość działania na bardzo płytkiej wodzie. USV napędzane energią nieodnawialną są ważnym narzędziem w komercyjnych pomiarach hydrograficznych. Użycie małego USV równolegle z tradycyjnymi statkami pomiarowymi jako „mnożnika siły” może podwoić pokrycie pomiarowe i skrócić czas pracy w terenie. Metodę tę zastosowano podczas badań na Morzu Beringa u wybrzeży Alaski, gdzie autonomiczny pojazd nawodny C-Worker 5 zebrał dane na dystansie 2275 mil morskich, co stanowiło 44% całego projektu. W 2020 roku brytyjski USV Maxlimer ukończył bezzałogowe mapowanie 1000 km² dna Atlantyku na zachód od Kanału La Manche. === Pojazdy do badań środowiskowych === ==== Saildrone ==== Saildrone – typ bezzałogowego pojazdu nawodnego używanego głównie na oceanach do zbierania danych. Jednostki Saildrone są napędzane energią wiatru i słońca oraz przenoszą zestaw czujników naukowych i instrumentów nawigacyjnych. Mogą poruszać się po zdalnie zadanej trasie wyznaczonej przez sekwencję punktów. Saildrone został wynaleziony przez brytyjskiego inżyniera Richarda Jenkinsa, założyciela i dyrektora generalnego Saildrone, Inc.. Saildrony były używane przez naukowców i organizacje badawcze, takie jak NOAA, do badania ekosystemu morskiego, rybołówstwa i pogody. W styczniu 2019 roku mała flota saildronów została wysłana w celu podjęcia próby pierwszego autonomicznego opłynięcia Antarktydy. Jedna z jednostek ukończyła misję, pokonując 12 500 mil w ciągu siedmiu miesięcy i gromadząc szczegółowy zestaw danych z wykorzystaniem pokładowej aparatury środowiskowej. W sierpniu 2019 roku SD 1021 ukończył najszybsze bezzałogowe przepłynięcie Atlantyku z Bermudów do Wielkiej Brytanii, a w październiku ukończył podróż powrotną, stając się pierwszym pojazdem autonomicznym, który przepłynął Atlantyk w obu kierunkach. Uniwersytet Waszyngtoński i firma Saildrone rozpoczęły w 2019 roku wspólne przedsięwzięcie The Saildrone Pacific Sentinel Experiment, w ramach którego sześć saildronów rozmieszczono u zachodnich wybrzeży Stanów Zjednoczonych w celu zbierania danych atmosf