無人艇航行安全控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)*

陳 霄，劉 忠，董 蛟，張建強

（海軍工程大學電子工程學院，武漢 430000）

0 引言

無人水面艇（USV，Unmanned Surface Vehicle）作為一種小型水面智能任務(wù)平臺，具有體積小、成本低、高速智能、雷達反射面積小、無人員傷亡等優(yōu)勢[1-2]。近年來，隨著現(xiàn)代智能控制技術(shù)、導航技術(shù)、數(shù)據(jù)鏈技術(shù)、傳感器等技術(shù)的進步，以及世界各國對海洋權(quán)益的要求日益強烈，USV在國內(nèi)外呈現(xiàn)井噴式發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域[3-4]。

無人艇作為水面航行器，航行的安全性及可靠性是保證其任務(wù)順利執(zhí)行的首要保障。無人艇在復雜海況下執(zhí)行任務(wù)的過程中可能會遇到諸多緊急情況，包括執(zhí)行機構(gòu)故障、動力系統(tǒng)故障、艇載任務(wù)載荷及傳感器故障、通信干擾甚至中斷等。目前，國內(nèi)外關(guān)于無人艇航行安全控制系統(tǒng)的文獻較少，主要措施是通過提高艇載設(shè)備的可靠性、綜合應(yīng)用冗余備份、故障診斷及數(shù)據(jù)融合等技術(shù)來提高無人艇的安全航行性能[5-6]。但是由于設(shè)備成本控制、安裝空間受限以及技術(shù)途徑有限等多重因素影響，現(xiàn)有提高無人艇航行可靠性的措施難以解決部分故障帶來的重大損失，因此，分析無人艇航行過程中的主要安全隱患，設(shè)計并實現(xiàn)無人艇航行安全控制系統(tǒng)，對確保復雜海況下無人艇各項任務(wù)的順利執(zhí)行具有重要的現(xiàn)實意義。

1 無人艇航行主要安全隱患

本文研究對象主要是用于武器系統(tǒng)試驗及訓練任務(wù)，結(jié)合無人艇的應(yīng)用情況，重點分析解決以下幾種典型航行情況下的安全問題。

1.1 大航程航行

無人艇在大航程航行任務(wù)過程中，若出現(xiàn)遙測控系統(tǒng)鏈路干擾甚至中斷、艇載設(shè)備機械或電氣故障等情況，則很有可能失去控制而航行出預(yù)定航區(qū)，造成安全隱患。由于該無人艇航程較遠，地面指揮中心實時判斷故障的難度較大，無法準確判斷無人艇的最后位置，如若航行出國境線則有可能引發(fā)政治問題。

1.2 高速小捷徑供靶航行

在武器系統(tǒng)試驗中，近距離高速小捷徑甚至零捷徑供靶已成為今后需要大量實施的試驗項目。由于武器系統(tǒng)試驗平臺和無人艇的距離非常近，一旦航行偏差超出允許范圍或者無人艇失控，則很有可能發(fā)生撞擊事故。

1.3 被擊傷仍能航行

無人艇為武器平臺供靶試驗或打靶訓練過程中，被擊傷后情況復雜，可能會導致其預(yù)定航線的改變，若此時遙測控鏈路及導航等設(shè)備失效，而航行控制系統(tǒng)仍能控制其繼續(xù)航行，這時無人艇既不能按預(yù)定航線航行至指定區(qū)域，又不能通過基站遙控等方式控制，只能眼睜睜地看著它帶來損失。

2 無人艇航行安全技術(shù)

提高無人艇航行控制系統(tǒng)可靠性，保障航行安全的技術(shù)措施主要分為以下幾類：

1）提高無人艇艇載硬件設(shè)備、軟件系統(tǒng)的可靠性。例如，采用余度技術(shù)，對艇載關(guān)鍵部件冗余備份，來保證系統(tǒng)的高可靠性[7]。目前由于艇載空間限制、成本控制等多種因素，特別是在消耗類、低成本無人艇上，受制因素較多，效果有限。

2）故障檢測、監(jiān)控與隔離技術(shù)。主要分為任務(wù)準備和海上航行兩個階段。在任務(wù)準備過程中，利用航行無實物及半實物仿真技術(shù)等來模擬任務(wù)的整個過程，實現(xiàn)對系統(tǒng)故障的判斷和預(yù)測；在海上航行過程中，利用艇載導航設(shè)備、通信設(shè)備、各類傳感器等艇載設(shè)備構(gòu)建無人艇故障診斷系統(tǒng)，在地面指揮控制系統(tǒng)的輔助下，采取自主和人工相結(jié)合的方式實時解決航行中出現(xiàn)的故障。但是由于艇載設(shè)備數(shù)量較多、環(huán)境復雜，在無人艇航行過程中，故障模型很難構(gòu)建，導致故障監(jiān)控與隔離實現(xiàn)難度較大[8-9]。

3）安全防護技術(shù)。無人艇采取的防護措施主要包括設(shè)備安裝布置和重要部件防護。設(shè)備安裝布置指的是將關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵線纜布置在不易受到破壞的位置；重要部件防護主要指防雷電、電磁干擾等技術(shù)手段，即通過將關(guān)鍵的設(shè)備、線纜等封裝隔離，避免受到其他艇載設(shè)備和線纜以及外部環(huán)境的電磁干擾。防雷電和電磁干擾可通過地面試驗和測試來檢驗和提高防護等級。此外，還可利用光纖電傳技術(shù)，隔離各通道間的電磁干擾[10]。但是，無人艇在執(zhí)行任務(wù)過程中受到自身設(shè)備故障和復雜海洋環(huán)境干擾（雷電、風浪流、海雜波等）的影響，盡管通過采取上述技術(shù)組合可以提高無人艇航行控制系統(tǒng)的可靠性，但都是有限的，不能確保絕對的安全性[11-14]。為了確保無人艇高效可靠地執(zhí)行各種航行任務(wù)，除了采用上述技術(shù)提高航行安全以外，需解決無人水面艇極端狀況下出現(xiàn)的安全隱患，尤其要解決無人艇在失去控制的情況下，航行出安全區(qū)域給地面及海上目標帶來的威脅這一問題。

3 安全控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案

3.1 系統(tǒng)組成

無人艇航行安全控制系統(tǒng)包括艇載安控器、地面安控設(shè)備以及仿真測試系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)組成框圖如下頁圖1所示。

圖1 無人艇航行安全控制系統(tǒng)組成

3.2 工作原理

該系統(tǒng)與無人艇其他艇載設(shè)備進行信息交互，通過獲取導航數(shù)據(jù)實時判斷無人艇是否超出安全區(qū)域，可實現(xiàn)艇上完全自主式安全控制和“人在回路”的地面被動安全控制兩種安控方式。根據(jù)航行過程中出現(xiàn)的不同狀況，系統(tǒng)采取其中一種或兩種同步執(zhí)行的安控方式來消除安全隱患。

3.2.1 艇上自主安控方式

艇上自主安控方式指的是在無人艇航行過程中，由艇載安控設(shè)備和其他艇載設(shè)備如航行控制與管理計算機、艇載電氣系統(tǒng)等按照預(yù)設(shè)的控制策略對無人艇的實時狀態(tài)進行連續(xù)監(jiān)控和判斷，當滿足預(yù)定條件時，無需地面指揮員參與，自主執(zhí)行預(yù)設(shè)的安全控制指令，消除潛在安全隱患。工作原理如圖2所示。

圖2 艇載自主安控方式工作原理圖

3.2.2 地面被動安控方式

地面被動安控方式指在無人艇航行過程中，由機載安控器、地面測控中心、地面安控設(shè)備以及指揮員構(gòu)成一套人在回路的被動安控體系。地面指揮員對無人艇航行數(shù)據(jù)進行實時、連續(xù)監(jiān)控和判斷，當無人艇出現(xiàn)異常情況時，根據(jù)預(yù)定的策略，操作地面設(shè)備發(fā)送指令至艇載安全控制器，控制無人艇執(zhí)行預(yù)定的動作，以保證無人艇及航區(qū)內(nèi)重點目標的安全。工作原理如圖3所示。

圖3 地面被動安控方式工作原理圖

3.3 安控執(zhí)行策略

3.3.1 關(guān)鍵概念說明

可航區(qū)：根據(jù)任務(wù)要求、任務(wù)海域及無人艇最大航程限制，無人艇的可航行區(qū)域；

預(yù)設(shè)航線：無人艇執(zhí)行任務(wù)前預(yù)先規(guī)劃并下載至艇載航行控制計算機的期望航線；

安控判斷線：執(zhí)行任務(wù)前，由指揮員在基站控制系統(tǒng)上預(yù)先設(shè)定、并下載至艇載在安控計算機由經(jīng)緯度數(shù)據(jù)確定的位置點組成的封閉區(qū)域曲線；

安控預(yù)警線：安控判斷線確定后，艇載安控器自動生成一條封閉的向內(nèi)沿徑向距離為100 m（根據(jù)不同無人艇的自身性能而定）的封閉區(qū)域曲線。

圖4 安控概念示意圖

3.3.2 執(zhí)行策略

無人艇若出現(xiàn)通信鏈路中斷無法執(zhí)行地面指揮中心控制指令、導航系統(tǒng)失效、舵機執(zhí)行機構(gòu)卡死等情況，導致無人艇完全失控，很有可能造成重大損失，因此，有必要在無人艇執(zhí)行任務(wù)前，制定詳細而周密的安全控制執(zhí)行策略，消除安全隱患、確保任務(wù)的順利完成。

安控執(zhí)行以自主安控為主、被動安控為輔。具體流程如下頁圖5所示。

圖5 安控策略執(zhí)行流程圖

指揮員根據(jù)特定任務(wù)要求，規(guī)劃出無人艇的期望航行路徑并設(shè)定航行中需要在特定地點執(zhí)行的任務(wù)序列；根據(jù)期望航行路徑和特定海域的具體情況繪制安控判斷線并下載至無人艇航行控制計算機；根據(jù)設(shè)定好的安控判斷線，艇載安控器自動生成安控預(yù)警線；艇載安控器實時獲取導航系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，并且間隔2 s周期性地對無人艇的位置進行判斷，判斷無人艇是否在安控預(yù)警線和安控判斷線以內(nèi)，當無人艇“撞擊”安控預(yù)警線時，艇載安控器將會向艇載航行控制計算機發(fā)送速度控制指令，將無人艇速度降到怠速，同時通過無線通信鏈路向地面安控設(shè)備發(fā)送報警信息；當無人艇“撞擊”安控判斷線時，艇載安控器將向無人艇動力控制系統(tǒng)發(fā)出熄火控制命令，并通過北斗自報位子系統(tǒng)周期性地將自己的實時位置通過衛(wèi)星鏈路發(fā)送給指揮中心，同時向地面安控設(shè)備發(fā)送報警信息；指揮員接到報警信息且停用安全航行區(qū)域控制功能后，可向無人艇下達點火及航行控制命令，若單次命令下達2 min內(nèi)不執(zhí)行且反復3次無反應(yīng)則判定無人艇失控。這時艇載安控器控制發(fā)動機點火，自主執(zhí)行定點位控或應(yīng)急回收命令，即使動力系統(tǒng)損壞導致無人艇無法點火繼續(xù)航行，但此時無人艇處于熄火狀態(tài)，并且可通過艇載北斗短報文自報位系統(tǒng)獲取無人艇的實時位置，確保了無人艇的安全且便于搜尋該故障無人艇。

3.4 核心算法

將無人艇是否在安控預(yù)警線及安控判斷線內(nèi)的問題抽象為判斷點與多邊形的位置關(guān)系，引入射線法判斷無人艇是否處于安全區(qū)域內(nèi)，射線法的基本原理參見文獻[10]。判斷無人艇是否位于安全航行區(qū)域內(nèi)的算法流程具體如下：

1）獲取無人艇坐標P、安控預(yù)警和安控判斷區(qū)域多邊形的頂點坐標 Q1、Q2、Q3等和 D1、D2、D3等；

2）以P為起點，沿鉛垂線方向作射線l；

3）判斷射線 l與多邊形各頂點坐標 Q1、Q2、Q3等和D1、D2、D3等是否相交；若有交點，則判斷該頂點為多邊形兩邊的左端點還是右端點，若為左端點則判定為交點，若為右端點則舍棄；

4）循環(huán)取得安控預(yù)警和安控判斷區(qū)域多邊形的每一條邊且判斷是否平行于鉛垂線，如果平行則忽略；

5）判斷射線l與安控預(yù)警和安控判斷區(qū)域邊界的各邊是否有交點，如果有則交點數(shù)分別遞加1；

6）判斷交點總數(shù)N1和N2的奇偶性。若N1和N2均為奇數(shù)，則判定無人艇處于安控預(yù)警線以內(nèi)；若N1為偶數(shù)且N2為奇數(shù)，則判定無人艇處于安控預(yù)警線以外、安控判斷線以內(nèi)；若N1和N2均為偶數(shù)，則判定無人艇處于安控判定線以外。

4 仿真及試驗驗證

4.1 仿真驗證

在MATLAB平臺下，采用隨機投點法對上述算法進行仿真驗證。設(shè)定投點數(shù)M=1 000，將安控判斷區(qū)域分別設(shè)定為任意的四、八邊形，當點在安控預(yù)警區(qū)域以內(nèi)時，點顯示為綠色，表示無人艇在可航區(qū)內(nèi)；當點在安控預(yù)警區(qū)域以外且安控判斷區(qū)域以內(nèi)時，點顯示為黑色，表示無人艇已“撞擊”安控預(yù)警線；當點在安控判斷區(qū)域以外時，點顯示為紅色，表示無人艇已“撞擊”安控判斷線。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 四邊形區(qū)域仿真結(jié)果

圖7 八邊形區(qū)域仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可以看出，該算法可滿足以上安全控制執(zhí)行策略的邏輯要求，并且正確率100%。

4.2 湖上試驗驗證

利用以上算法，基于Visual studio 2012軟件平臺開發(fā)無人艇安全控制程序并嵌入到無人艇航行控制系統(tǒng)中，通過實際湖上試驗驗證兩種安控措施的有效性和可靠性。如圖8所示，紅色和藍色箭頭代表兩艘正在湖上航行的無人艇，黃色代表安控預(yù)警線，黑色代表未啟用的安控判斷線，啟用后將變?yōu)榧t色，如圖9所示。任務(wù)開始前，操作人員將安控判斷多邊形區(qū)域頂點的經(jīng)緯度信息下載至艇載安控器，艇載安控器自動生成安控預(yù)警區(qū)域多邊形，當無人艇通過人工或自主方式進入安控預(yù)警區(qū)域以內(nèi)時，立即人工啟用安控判斷線，之后無人艇便可以在可航區(qū)內(nèi)按照任務(wù)要求安全航行。

圖8 安全控制區(qū)域設(shè)置

圖9 無人艇“撞擊”安控預(yù)警線

圖10 無人艇“撞擊”安控判斷線

由軟件顯示界面圖9和圖10可以看出，當無人艇“撞擊”安控預(yù)警線時，無人艇降到怠速約為4.3 kn，并發(fā)出安控報警信號（預(yù)警）；當無人艇“撞擊”安控判斷線時，無人艇將熄火，速度降為0，并發(fā)出安控報警信號，之后再根據(jù)以上安控邏輯策略執(zhí)行相應(yīng)的航行操作，實際湖上試驗驗證了安全控制系統(tǒng)的有效性。

5 結(jié)論

針對自主無人水面艇的航行安全問題，本文首次設(shè)計實現(xiàn)了無人艇航行安全控制系統(tǒng)：

1）分析了無人艇海上自主航行中存在的主要安全隱患以及提高航行安全技術(shù)手段。

2）設(shè)計了無人艇航行安全控制系統(tǒng)總體技術(shù)方案，首次提出基于“射線法”的無人艇安全控制算法，實現(xiàn)了艇上自主安控和基站被動安控兩種安全保障措施，并詳細闡述了安全控制系統(tǒng)安控策略的執(zhí)行流程。

3）利用仿真技術(shù)和實際的湖上試驗驗證了本文設(shè)計的航行安全控制系統(tǒng)的有效性和可靠性。

4）本文所提出的無人艇航行安全控制系統(tǒng)可推廣到無人車、無人潛航器、無人機等航行安全控制中，算法通用性良好，具有一定的普適性。