基站雷達與AIS引導的水面無人艇遙控系統

馮愛國,劉錫祥,吳 煒

(1.南通航運職業技術學院航海系,江蘇南通226010;2.東南大學微慣性儀表與先進導航技術教育部重點實驗室,江蘇南京210096)

基站雷達與AIS引導的水面無人艇遙控系統

馮愛國1,2,劉錫祥2,吳 煒1

(1.南通航運職業技術學院航海系,江蘇南通226010;2.東南大學微慣性儀表與先進導航技術教育部重點實驗室,江蘇南京210096)

針對無人艇進行海面監測、海難搜救等具體任務需求,以現有小型艦船及動力操控設備為基礎,設計并實現了一種水面無人艇導航與控制遙控系統。系統中路徑規劃/航跡監控模塊可根據基站先驗地理信息的路徑規劃及預設極限可航范圍監控航行軌跡;危險評價/操控決策模塊對雷達跟蹤數據及AIS參數的實時分析,獲取艇周目標與無人艇的碰撞危險評價,給出無人艇試操縱避讓方案;信息交互模塊利用4G網絡通信技術實現艇上傳感器與遙控系統間的數據交互;艇載工控機終端響應模塊在收到指令后,仿云臺控制利用PELCO-D協議驅動艇上車舵設備。基于某江域的試驗結果表明,控制基站與艇數據交換可靠,艇車舵系統能有效響應遙指令。

雷達跟蹤;自動識別系統;無人艇;航姿參考系統;遙控

0 引言

在過去20年中,無人裝備取得了飛速發展,當前無人艇(Unmanned Surface Vessel,USV)主要由美國、英國、法國、加拿大、以色列、日本、中國等10余個國家研制,能夠完成情報搜集、反水雷、海事安全和訓練測試等方面任務。處于領先地位的美國國家航空航天局噴氣推進實驗室開發了機器人智能指揮與感知的控制體系架構(CARACaS),旨在使用最少的人工干預完成無人裝備的操控和導航。目前,無人艇國內研究與應用也越來越廣泛,多個高校及研究機構(如中船重工701所等)開展了無人艇的研究與設計。水面無人艇的操作方式主要包括自主導航、自動和人工遙控等方式[1]。

無人艇制導研究主要包含:1)路徑規劃方面研究,主要任務為對靜態障礙物的避障[2-3];2)智能或在線支持避碰方法研究,主要是基于附近雷達和AIS船舶信息的小范圍在線路徑動態規劃,如杜開君等研究了不同碰撞局面下的規避方案及預留包圍體[4];3)數據鏈建立及運動控制研究,包括模糊控制、神經網絡控制等多種航向或航跡控制方法[5]。在此背景下,考慮輕簡型無人艇天線高度對雷達應用限制及對艇操縱影響,在基站電子海圖上設計航線、允許偏距及多邊形可航區域,以實際偏距為輸入偏差控制艇運動軌跡,以基站雷達與AIS探測動態障礙物,代艇計算目標對艇碰撞危險并求解符合規則的避讓措施,借鑒航海實踐設計仿人操作流程,在必須避讓偏航時補充艇位越界識別算法,而后基站生成對艇車舵控制指令,設計并實現了一類水面無人艇遙控系統,并進行了試驗驗證。

1 總體結構

1.1 系統總體結構及數據流向

系統由導航雷達提供雷達與AIS參數,系統主體部分包括船用導航雷達與AIS、引導基站計算機、艇操縱指令裝置、操縱指令下位機、轉速及舵角儀表、遠程艇載計算機、艇位、航向航速及艇姿傳感器、車舵驅動下位機、車舵響應傳感器及下位機。總體結構如圖1所示。

各模塊的作用是:

1)路徑與可航域規劃模塊 由基站設定艇的計劃航線,給定偏航閾值,規劃可航水域;

2)導航雷達及自動識別系統(AIS)采集模塊通過雷達TRACK CONTROL和AIS接口[6]一站式采集雷達系統數據、雷達目標跟蹤數據(TT)、AIS目標數據,獲取艇及艇周目標的位置、運動參數;

3)雷達與AIS目標數據融合模塊 利用位置與運動參數進行目標數據融合,設定偏離閾,實現雷達目標與AIS目標的時空對準,實現數據歸一;

4)碰撞危險判斷模塊 利用監控基站獲取的艇周目標及艇的位置與運動數據,計算艇周目標對艇的碰撞危險參數;

5)試操船模塊 若目標與艇存在碰撞危險,利用假定航向、航速,計算出合理的改向改速避讓措施;

6)偏航與越界監控模塊 根據艇上傳回的位置與運動數據,監控實際偏航距離,正常航行中,以偏距對艇航跡控制,必要避讓時,依試操船模塊決策操艇,避讓偏航時監控艇位是否越界,拓展到預測是否會越界及時機;

7)車鐘令、舵令、艇推進工位、舵角等嵌入式傳感模塊 基站仿實船操船裝置給出遙控操船指令,同樣,轉速與舵角模塊回傳艇的操船響應參數;

8)基站表示模塊 實現各參數數值、虛擬儀表與態勢可視化的綜合顯示;

9)網絡交換模塊 通過TCP/IP或UDP協議實現車舵指令發送及艇數據回傳;

10)艇測控模塊 收獲遙指令實現對艇車舵驅動,采集艇位置、航向、航速、艇姿態、舵角、車鐘位等參數。

1.2 系統功能實現流程

監控基站遙控無人艇沿規劃路徑航行,航行中通過雷達、AIS等手段及數據融合技術追蹤到無人艇及艇周目標位置與航向航速等運動參數,判斷是否是未知的移動障礙物(默認為在航船舶),根據船舶避碰規則,實時計算艇與移動船舶的最近會遇距離DCPA與最小會遇時間TCPA,若有碰撞危險則推算避碰方案,避讓中,結合電子海圖預設航線、允許偏航距離、極限可航范圍等信息,分析有無嚴重偏航甚至越界的危險,若有調整避碰方案,盡量以減速直至停船避讓,讓請后,復航至原規劃路線,若有碰撞危險,重復試操船及避讓環節,直至航行至終點。基本流程如圖2所示。

圖2 無人艇航行路徑規劃與避障策略流程圖

2 系統功能實現的相關技術

2.1 IEC61162協議下的雷達與AIS引導參數采集、解碼與存取方案設計

雷達及AIS均有串行接口,雷達輸出系統數據及目標跟蹤信息。雷達廣播6種IEC61162-1標準語句,其中“$RATTM,xx,x.x,x.x,a,x.x,x.x,a,x.x,x.x,a,c-c,a,a,a?hh〈CR〉〈LF〉”為目標跟蹤語句,“$”表示開始,句塊依次表示:目標編號、目標距離、目標方位、真/相對、目標速度、目標航向、真/相對、CPA、TCPA、航速單位、目標名稱、目標狀態、參考目標、UTC。同理,雷達內也能提供AIS串行輸出,解碼后可獲得船舶的動靜態信息[6],主要包含目標船識別碼 MMSI碼、航行狀態、轉向速率、對地航速、位置精度、經度、緯度、對地航向、真航向等。

基站采集到艇及艇周移動目標數據實時存儲到雷達目標與AIS目標數據庫,存儲策略為“有則更新、無則添加”[7]。以雷達跟蹤語句采集為例,設計含目標編號、距離、方位、航速、航向字段的數據表,運用SqlConnectionstring構建系統與SQLServer的數據庫連接,運用SQL語句實現數據庫操作,運用SqlData Adapter及Data Table實現數據綁定顯示,關鍵SQL語句如:

(MySQL="if not exists(select?from RADAR where TGID="+TGIDU+")insert RADAR(TGID,DIST,BRG,T_SPD,T_CRS)values("+TGIDU+","+DISTU+","+BRGU+","+T_SPDU+","+T_CRSU+")"+"else update RADAR set DIST="+DISTU+",BRG="+BRGU+",T_SPD="+T_SPDU+",T_CRS="+T_CRSU+"where TGID="+TGIDU);

句中詞尾為U縮寫詞是采集雷達輸出數據的賦值變量。同理,可以隨后動態檢索艇參數和任意目標的參數。

2.2 艇周目標對艇碰撞危險評判與決策、艇位偏離與越界算法

基于艇周目標與艇位置及運動參數,即已知目標位置Q(λT,φT),艇位置P(λP,φP),算得目標對艇的方位、距離(B0,R0),篩選近艇(距離小于設定值)目標,判斷對艇碰撞危險,算法如下:

1)由式(1)、式(2)計算目標(移動障礙物)、無人艇航速東向分量各為dVTX,dVPX;北向分量各為dVTY,dVPY(東為正,北為正):

式中:雷達跟蹤輸出VT為目標航速,CT為目標航向;遠程采集VP為艇航速,CP為艇航向。

2)由式(3)計算移動目標對艇的相對航向C、相對航速V:

若dV X＜0,dV Y＜0,則C=C+360°。

3)由式(4)計算移動目標至最近會遇點的剩余距離SDCPA和所需時間TCPA:

4)由式(5)計算目標與艇的最近會遇距離DCPA:

剩余距離、時間表示緊迫程度,最近會遇距離表示碰撞危險程度,若均小于閾,系統報警、給出避讓方案,與碰撞危險評判算法相同,以假定艇向與艇速參與代入式(1)～(5)計算,直至最近會遇距離大于碰撞閾。

偏航及越界算法:艇位置P(λP,φP),航線中的任一轉向點為P k(λk,φk),預設航線中任一分段為式(6):

式中,A k=y k-1-y k,B k=x k-y k-1,C=x k-1·y k-y k-1·x k,x k=λk,y k=φk,若λP∈ (λi-1,λi],(0＜i≤k),無人艇與計劃航線偏航距離由式(7)計算,若d＞XTE(XTE為偏航閾),系統給出警告。

設置多邊形可航范圍S:(P0,P1,…,P N,P0),構建多邊形最后一條邊為最后一個端點與第一端點的封閉,同理得各邊函數,無論是凸殼多邊形還是凹殼多邊形,只要邊不自交,以艇位置為起點構建向南(向下)的射線(x=λP,y＜φP),與多邊形各邊交點數為奇數時,則艇位置在極限可航范圍內,否則,出界,給出危險報警[8]。算法為:遍歷多邊形各邊,若λP? (λk-1,λk],則構建射線與該段無交點;若λP∈ (λk-1,λk],λP代入該邊函數l k,解得λP映射解φkP,若φkP≤φP,判斷有交點,反之,與該邊無交點;累計交點數,除2取余計算后,余數為1判為奇數,得艇位置在界內,反之越界。艇碰撞危險與艇位越界監控原理如圖3所示。

圖3 艇碰撞危險與艇位越界監控原理圖

2.3 車舵指令與響應測量及基于移動4G網絡的數據交換方法

以舵令及舵角反饋為例,使用滑阻式或磁敏式角位移傳感器和STC12C5 A60S單片機設計舵令或舵角采集電路,如圖4所示。圖中:STC12C5 A60S的8路10位A/D轉換可實現多路角度(電壓DC:0～ +5 V)信號數字化,本系統采用P1.6,P1.7通道保證兩路互為備用采集舵令或舵角信號,140°～220°測角映射+1.945～+3.055 VDC。巡檢傳感器10位二進制工位數,得對應測角(-40°～+40°)[9]。同理,實現車鐘令及艇上油(電)門搖柄位置反饋采集。

網絡數據交換:基站 固定IP;艇裝備 4G路由器,Internet UDP協議實現群聊式雙向數據交換[10]。步驟如下:

1)定義UDP用戶UdpClient;

2)定義并指定群IP地址IPAddress變量group Address;

3)定義本地端口號localPort及遠程端口號remotePort;

4)定義遠程終結點IPEnd Point變量remoteEP;

5)使用Join MulticastGroup方法將Udp Client加入到指定IPAddress的多路廣播群;

6)啟動 UdpClient的端口偵聽入群用戶,發送信息加IP地址作為對方遠程地址給入群用戶;

7)啟動定時發送,發送標準化傳感器采集報文或遙指令報文在群內廣播,群用戶根據報文所含地址確定信息是否為使能數據。

信息格式為:

控制基站:“$Remote,〈1〉,〈2〉,〈3〉,〈4〉?hh”,〈1〉艇號地址碼,〈2〉推進器指令,〈3〉舵令,〈4〉操控模式(A:自動,M:手動,S:自適應),hh:異或和校驗值;

艇回傳信息:“$Bback,〈1〉,〈2〉,〈3〉,〈4〉,〈5〉,〈6〉,〈7〉,〈8〉,〈9〉,〈10〉,〈11〉,〈12〉,〈13〉,〈14〉,〈15〉,〈16〉?hh”,〈1〉艇號,〈2〉UTC,〈3〉推進器控制位,〈4〉舵角,〈5〉航行模式,〈6〉艇經度,〈7〉艇緯度,〈8〉定位狀態,〈9〉對地航速,〈10〉對地航向,〈11〉艇緯度,〈12〉定位狀態,〈13〉對地航速,〈14〉艇航向,〈15〉縱搖角,〈16〉橫搖角,hh:異或和校驗值。

圖4 車舵指令及反饋數據測量裝置圖

2.4 艇收令后使能實現

艇站收到基站網絡報文后,要車指令及舵令與推進器推桿反饋及舵角反饋值比較,當存在偏差時,生成驅動艇車舵裝置的執行指令通過一路串口向下位機發送。艇舵角和推進器由δ(舵角)、θ(推桿搖角)約束,驅動舵及油門開度方法借鑒監控云臺控制技術,機電控制板卡以云臺內控制板進行功率改造,仿云臺PELCO-D協議實現收令后響應使能,實現遠程數字化隨動[11]。

為快速響應及防超調,電機轉速給值通過數字PID控制模型先行計算,簡單描述:偏差越大時電機給定轉速快,反之則慢。由于一般舵裝置及用車搖柄自身阻尼特性較好,控制系統中慣性環節考慮省略。增量控制法的系統輸出為

以舵角為例,設t時刻第k次采樣給定舵令值δc,舵角反饋δ,偏差輸入e(k)=(δc-δ)/30,PID控制輸出為u(k)(u(k)∈[0,1]),轉舵控制指令十進制數據為u(k)·64,十進制轉十六進制即為轉舵電機速度指令。

3 遠程引導SUV系統搭建及仿真測試結果

基站雷達采集艇周目標及艇位置與運動數據如圖5所示,無人艇車舵及位姿與運動數據同時由4G網絡采集。PELCO-D協議舵角及推進搖柄電機控制速度指令為00～3F對應0～64級,蝸桿傳動如圖6所示,舵角偏差大于5°及搖柄偏差大于3°時,均輸出最大值3F;二者小于5°及3°時,偏差輸入PID模塊輸出00～3F驅動速度。數據交換如圖7所示,雷達、海圖態勢的監控效果如圖8所示。

圖5 雷達接口

圖6 車舵裝置

圖7 網絡數據交換

圖8 雷達、海圖監控效果

4 結束語

本文提出并實現了一類水面無人艇導航與控制遙操作系統。該系統針對無人艇的實際航行與避障需求,將系統功能具體劃分4個模型,并給出了實現過程。系統以基站電子海圖與雷達、AIS規劃艇運動路徑及實現在線避碰支持,可以避免貴重航海設備的在艇風險,也可以輕簡艇載計算機程序,避免過多的線程帶來軟件陷阱,運用多邊形可航區域識別能有效防止艇位越界。系統后續應加強基站路徑規劃及預設可航邊界在離艇前傳入艇載計算機,以便一旦離線實現艇自主導航,同時應考慮利用艇載AIS設計有限的離線自動避讓算法,考慮艇操縱特性,還需加強越界預測,此外,應加強通信鏈路的可靠性設計,一旦離線失控,尚須啟動輔助信號顯示及保持安全艇位的設計方法。

[1]沈智鵬,劉繼中,汪宇,等.一種無人水面艇控制仿真系統研究[J].系統仿真學報,2015,27(9):2038-2043.

[2]盧艷爽.水面無人艇路徑規劃算法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2010.

[3]陳華,張新宇,姜長鋒,等.水面無人艇路徑規劃研究綜述[J].世界海運,2015,38(11):30-33.

[4]杜開君,茅云生,向祖權,等.基于海事規則的水面無人艇動態障礙規避方法[J].船海工程,2015,44(3):119-124.

[5]BAO Xinping,NONAMI K,YU Zhenyu.Combined Yaw and Roll Control of an Autonomous Boat[C]∥2009 IEEE International Conference on Robotics and Automation,Kobe,Japan:IEEE,2009:188-193.

[6]段曉超,段玲琳,李化雷.星型拓撲RS422信號傳輸特性研究[J].雷達科學與技術,2016,14(1):91-94.DUAN Xiaochao,DUAN Linglin,LI Hualei.Research on Star Topology RS422 Signal Transmission[J].Radar Science and Technology,2016,14(1):91-94.(in Chinese)

[7]王春艷,李帥.SQLite在飛艇監控中的應用與優化[J].雷達科學與技術,2014,12(6):609-612.WANG Chunyan,LI Shuai.Optimization and Application of SQLite in Monitoring and Control System of Airship[J].Radar Science and Technology,2014,12(6):609-612.(in Chinese)[8]馮愛國,吳煒,季本山.基于雷達及AIS的水上設施自動警戒與保護[J].中國港灣建設,2015,35(6):65-69.

[9]張愛華,姚海燕.角度傳感器在全位置自動焊接系統中的應用[J].計算機測量與控制,2009,17(12):2426-2829.

[10]羅亞男,付永慶.基于分層路網的路徑規劃算法[J].計算機應用,2013,33(6):1763-1766.

[11]王麗輝,程永強.基于LPC2132的云臺攝像頭解碼器設計[EB/OL].[2016-05-21].http:∥www.pa-

The Unmanned Vehicle Remote Control System Based on Base-Station Radar and AIS

FENG Aiguo1,2,LIU Xixiang2,WU Wei1
(1.Department of Navigation,Nantong Vocational&Technical Shipping College,Nantong226010,China;2.Key Laboratory of Micro-Inertial Instrument and Advanced Navigation Technology of Ministry of Education,Southeast University,Nanjing210096,China)

For the unmanned boat to achieve the sea environmental monitoring,searching and rescuing a remote operating system is designed for the unmanned boat based on the hull and power control equipment on an operational boat.Based on a priori,the path planning of geographical information and the preset navigable limit scope,the route planning and monitoring module of system control USV track.The real-time avoidance collision decisions from the risk assessment/manipulation decision module is made by the information around the unmanned boat from the AIS(automatic identification system)and the radar at shore or mother ship.Information interaction module uses wireless network to realize the data interaction between the sensor on the boat and the remote control system,and sent remote control commands to the craft.The craft uses PELCOD agreement instruction to drive the maneuvering equipment.The test in Yangzi River indicate that the data exchange between the controlling station and the unmanned boat is reliable and the system of main engine and the rudder can responds the boat remote controlling commands effectively.

radar tracking;automatic identification system(AIS);unmanned surface vessel(USV);attitude heading reference system(AHRS);Remote control

TN953;TP242

A

1672-2337(2017)01-0055-06

10.3969/j.issn.1672-2337.2017.01.010

2016-06-02;

2016-07-18

江蘇省高校優秀科技創新團隊資助項目;南通市科技計劃研究項目(No.BK2014031);江蘇交通科研項目(No.2011C04-11);江蘇省“333工程”(第三層次)科研項目資助基金(No.BRA2014312)

馮愛國男,1970年生,江蘇如東人,南通航運職業技術學院航海系副教授,遠洋船長,江蘇省高校優秀科技創新團隊帶頭人,江蘇省“333高層次人才培養工程”第三層次培養對象,主要研究方向為航海及導航技術、計算機在航海中的應用。E-mail:fengag@ntsc.edu.cn