無(wú)人試驗(yàn)船控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)及測(cè)試研究

張榆皓

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714003

摘要：由于近些年海洋災(zāi)害日益頻繁，為了能夠更好的保障海事人員的生命安全，無(wú)人試驗(yàn)船的研究成為了當(dāng)下最熱門的話題。本文針對(duì)無(wú)人試驗(yàn)船控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)和測(cè)試進(jìn)行研究，內(nèi)容僅供參考。

關(guān)鍵詞：無(wú)人試驗(yàn)船；控制平臺(tái)；設(shè)計(jì)及測(cè)試

為了更好的保障海事人員的人身安全，無(wú)人船在日常的海事活動(dòng)中起到了重要的作用。無(wú)人船只的運(yùn)行都是依靠控制平臺(tái)來(lái)完成的，然而這個(gè)控制平臺(tái)卻是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，需要通過(guò)針對(duì)無(wú)人試驗(yàn)船控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)及測(cè)試來(lái)模擬實(shí)際船只的控制效果。

1 無(wú)人試驗(yàn)船控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)內(nèi)容

1.1 控制平臺(tái)的硬件框架設(shè)計(jì)

控制平臺(tái)的硬件框架設(shè)計(jì)主要針對(duì)船只進(jìn)行的設(shè)計(jì)，包括信息采集單元、控制單元、異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)單元以及輸出單元。信息采集單元是為系統(tǒng)不斷的提供數(shù)據(jù)，并保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，主要由電羅經(jīng)、GPS、AIS等。電羅經(jīng)負(fù)責(zé)當(dāng)前船只的導(dǎo)航，GPS提供地理信息數(shù)據(jù)，AIS用于檢測(cè)周圍是否存在其他船只。控制單元主要是實(shí)現(xiàn)船只的有效控制，例如岸端的遙控、船只自主航行、勻速航行等，這些控制主要對(duì)CAN網(wǎng)絡(luò)所接收到的來(lái)自傳感器所傳遞的信息進(jìn)行有效反饋，并將控制指令發(fā)送給輸出單元，由輸出單元執(zhí)行對(duì)應(yīng)算法，例如航行路線規(guī)劃、識(shí)別障礙物、智能躲避障礙物等[1]。異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)單元的功能為保障實(shí)現(xiàn)船只與岸端的實(shí)時(shí)通信，通常情況下異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)單元會(huì)優(yōu)先選擇數(shù)字電臺(tái)，若在執(zhí)行海事活動(dòng)中數(shù)字電臺(tái)無(wú)法運(yùn)行的狀態(tài)才會(huì)選擇3G網(wǎng)絡(luò)，保證船只和岸端始終保持?jǐn)?shù)據(jù)通信。輸出單元即為岸端指令的執(zhí)行單元，對(duì)控制平臺(tái)發(fā)出的任何指令或算法都能夠進(jìn)行，保證船只與指令相對(duì)應(yīng)。

1.2 控制平臺(tái)的軟件框架設(shè)計(jì)

控制平臺(tái)的軟件框架設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于岸端的控制，也就是通過(guò)軟件的方式實(shí)現(xiàn)船只與控制平臺(tái)相互通信，主要包括：存儲(chǔ)模塊、通信模塊、處理模塊、遙控模塊等。存儲(chǔ)模塊是將通信的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行保存，便于岸端能夠隨時(shí)查看航速、航向以及地理信息等相關(guān)數(shù)據(jù)，并在監(jiān)測(cè)界面中實(shí)時(shí)的顯示。通信模塊是針對(duì)數(shù)字電臺(tái)以及3G網(wǎng)絡(luò)提供有效服務(wù)的。由于數(shù)字電臺(tái)具有良好的實(shí)時(shí)通信能力，所以被優(yōu)先選擇，通信模塊中為3G網(wǎng)絡(luò)提供船載攝像頭以及文字信息兩個(gè)通道，然而3G網(wǎng)絡(luò)傳輸具有延時(shí)性，所以是數(shù)據(jù)通信次要選擇。處理模塊主要用于岸端將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，從而將船只航速、航向和地理信息等方面內(nèi)容提取出來(lái)并在監(jiān)測(cè)界面中顯示出來(lái)。遙控模塊是對(duì)岸端的操作指令進(jìn)行有效的執(zhí)行的模塊，便于更好的利用數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

2 無(wú)人試驗(yàn)船控制平臺(tái)的測(cè)試

2.1 船只測(cè)試

船只的測(cè)試是無(wú)人試驗(yàn)船測(cè)試的重要環(huán)節(jié)，也是控制平臺(tái)指令能否順利得到執(zhí)行的重要保證。開始整體測(cè)試前需要對(duì)無(wú)人試驗(yàn)船的船只在水中的運(yùn)行狀況進(jìn)行檢測(cè)，保障船只在正常通電的情況下所有的設(shè)備都能夠正常的運(yùn)行，并進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)測(cè)，避免在整體測(cè)試過(guò)程當(dāng)中出現(xiàn)設(shè)備問(wèn)題，而且還要測(cè)試船只對(duì)指令的執(zhí)行情況，保障操作指令的實(shí)時(shí)性[2]。具體步驟為先將船只內(nèi)的所有硬件設(shè)備與對(duì)應(yīng)單元進(jìn)行連接，然后對(duì)整個(gè)電路板進(jìn)行通電，并對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，查看所有設(shè)備是否處于正常的運(yùn)行狀態(tài)，最后是將船只駛?cè)牒串?dāng)中，利用控制軟件發(fā)送不同的操作指令，觀察其反應(yīng)的速度以及正確性。

2.2 遙控測(cè)試

遙控測(cè)試是對(duì)控制平臺(tái)整體效果的進(jìn)一步驗(yàn)證，通常情況下進(jìn)行遙控測(cè)試主要針對(duì)以下幾方面進(jìn)行測(cè)試，比如船只與控制平臺(tái)相互通信過(guò)程是否穩(wěn)定、船只能否及時(shí)響應(yīng)控制平臺(tái)的指令、船只采集的信息是否實(shí)時(shí)傳回岸端、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)是否能夠存儲(chǔ)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，并在查詢過(guò)程中能否順利進(jìn)行調(diào)用。具體操作步驟為先將無(wú)人試驗(yàn)船處于未發(fā)動(dòng)狀態(tài)，檢測(cè)所有的硬件是否都已經(jīng)正常連接，然后再將船只發(fā)動(dòng)，監(jiān)測(cè)每個(gè)設(shè)備在船只運(yùn)行的狀態(tài)下是否正常，再將船駛?cè)胨校诎抖松侠每刂破脚_(tái)向船只發(fā)送不同的操作指令，觀察其在不同的狀態(tài)下執(zhí)行的速度以及響應(yīng)時(shí)間，最后是將數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，并觀察數(shù)據(jù)庫(kù)中是否已經(jīng)存入的當(dāng)前數(shù)據(jù)以及能夠順利的進(jìn)行讀取有效信息等內(nèi)容。

2.3 靜水域自主航行測(cè)試

無(wú)人試驗(yàn)船的自主航行是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，可根據(jù)航行的方向以及軌跡進(jìn)行自主航行，從而減少人為的干預(yù)，更好地體現(xiàn)其無(wú)人駕駛的特點(diǎn)。通常對(duì)自主航行控制的采取PID控制算法，該算法不僅結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，且參數(shù)調(diào)整方便。由于無(wú)人試驗(yàn)船處于試驗(yàn)階段，所以，通常在靜水域進(jìn)行自主航行測(cè)試是最為有效，且不確定因素較少，測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定。

PID算法在實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程中通常通過(guò)對(duì)積分時(shí)間、微分時(shí)間以及比例系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，在測(cè)試的過(guò)程中，只要針對(duì)這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整就能夠?qū)崿F(xiàn)不同方向和軌跡的自主航行。具體步驟為首先將無(wú)人試驗(yàn)船駛?cè)腱o水域之中，并使其保持勻速進(jìn)行航行，然后向船只發(fā)送自主航行的控制指令，讓遙控控制結(jié)果不產(chǎn)生任何效果，再以電子羅盤的航向角作為參數(shù)依據(jù)，調(diào)整監(jiān)測(cè)軟件界面中的航向值，并發(fā)送給船只，接著再一次輸入PID控制算法中的三個(gè)相應(yīng)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)通過(guò)參數(shù)設(shè)置來(lái)進(jìn)行自主航行的有效控制，最后通過(guò)在不同時(shí)間段來(lái)調(diào)整監(jiān)測(cè)軟件的航向值，并發(fā)送給船只，使其在航行軌跡上的發(fā)生變化，最終觀察船只的航行軌跡的變化[3]。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)無(wú)人試驗(yàn)船控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)及測(cè)試研究，能夠更好地模擬實(shí)際無(wú)人海事船只的控制，便于將無(wú)人試驗(yàn)船控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)應(yīng)用在實(shí)際的無(wú)人海事船只當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)海事活動(dòng)的無(wú)人化方式，避免了因?yàn)楹Ｑ鬄?zāi)害給海事人員的生命安全帶來(lái)威脅。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉光明.無(wú)人多功能海事船控制平臺(tái)設(shè)計(jì)與通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建[D].武漢理工大學(xué)，2012.

[2]鐘琎.無(wú)人試驗(yàn)船控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)及測(cè)試研究[D].武漢理工大學(xué)，2013.

[3]李浩.無(wú)人駕駛試驗(yàn)船控制平臺(tái)設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)[D].武漢理工大學(xué)，2014.