水面無人艇集群系統研究

胡建章，唐國元，王建軍，吳 驍，解 德

(華中科技大學 船舶與海洋工程學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

水面無人艇（Unmanned surface vehicle，USV）作為一種無人海洋智能運載平臺，具有自主規劃及自主航行能力。其在軍事和民用領域具有極其廣泛的應用前景，如：反潛、反魚雷、情報監視與偵查，以及海洋環境監測、海洋氣象預報、海洋生物研究、海圖繪制、通信中繼等諸多用途[1]。此外，USV具有在海-空界面之間運行的優勢，可作為水下自主潛航器與空中無人機之間的通訊中繼站，從而充當立體化海洋空間的關鍵節點[2,3]。

當面臨復雜的水域環境，以及越來越精密化、多樣化的任務時，單一的USV已經難以擔此重任。所以集成多艘USV所構成的集群系統應運而生，其具有更廣的作業范圍、更高的作業效率、更強的魯棒性以及靈活性等諸多優點，成為現如今無人系統的研究熱點[4]。USV協同系統絕不是幾艘USV的簡單疊加，而是它們的有機結合、協同運作，利用協同來實現資源的有效利用，以提高任務的執行效率[5]。

國外學者對于多USV的協同路徑規劃、協同路徑跟蹤和協同作業中的避碰進行了較多的仿真與試驗研究[6 – 9]。國內學者在USV的艇型設計、智能控制方法、操縱性、自主導航等方面進行了較多研究[10 – 12]。本文構建了一種水面無人艇集群系統，通過系統的總體設計研究以及模塊化設計研究，建立具備多任務、長航時、高精度導航及較高智能化的集群系統。

1 水面無人艇集群系統的體系結構

水面無人艇集群系統在物理上可以分為岸基基站子系統和若干無人艇子系統，在邏輯上可以分為6個層次：智能決策層、可視化分析層通信鏈路層、識別感知層、控制層以及功能執行層，系統總體體系結構圖如圖1所示。整個系統呈星型結構，系統拓撲結構圖如圖2所示。

圖 1 水面無人艇集群系統體系結構圖Fig. 1 Architecture diagram of USVs system

圖 2 水面無人艇集群系統拓撲結構圖Fig. 2 Topology diagram of USVs system

系統通過識別感知層獲取當前的水域信息、地理信息、系統自身的運作情況等各種信息，并經由通信鏈路層傳輸至可視化分析層和智能決策層，然后由智能決策層合理規劃控制策略（如避障、包圍、返回、原地待命等），完全取代操作人員采取最佳策略。當接收到指揮指令時，根據任務優先級和當前所處情勢確定當前應采取的措施，使得任務得以完成或損失最小，具備態勢判斷與決策能力。這些決策同樣通過通信鏈路層傳達給底層的控制層，并由其解算出控制指令來控制功能執行層完成相應的功能及任務。

1.1 岸基基站子系統

岸基基站子系統是整個集群系統的指揮與控制中樞，負責對集群系統進行任務規劃、智能決策、電子地圖顯示、狀態監控、指揮控制。其物理組成包括：監控計算機、無線網橋、GPS接收機、數傳電臺及其天線、饋線等，如圖3所示。其中監控計算機的智能決策模塊和航行數據庫組成智能決策層，電子導航地圖和系統監控軟件構成了可視化分析層，無線網橋以及數傳電臺屬于數據鏈路層，GPS接收機屬于識別感知層。

圖 3 岸基基站子系統結構框圖Fig. 3 Block diagram of base station subsystem

監控計算機采用研華IPC-610L一體化工業計算機，配備雙顯示屏，分別顯示電子導航地圖以及系統監控界面。并通過RJ-45以太網接口與BodaCOM-6000系列基站端無線網橋連接，實現與USV的通信。USV的實時航向、位置，以及艇載攝像頭的監控畫面等重要信息都經由無線網橋傳回上位機。上位機的控制指令也通過網橋實時發送給USV，由USV的控制模塊負責解析和分類，然后進一步傳送給相應的艇載設備，實現對USV的控制操作。基站的SDI-TimeNav-6授時導航定位接收機配備2個RS232標準串口，串口通信波特率為9 600 bps。COM1口與工控機相連連接，獲取基站的GPS信息；COM2口連接MDS2710A數傳電臺，用于傳輸RTK差分數據，實時校正USVs的GPS信息。

1.2 無人艇子系統

無人艇子系統的主要功能是接受岸基基站子系統的命令，實現相應的功能。結合系統的功能以及需求，基于模塊化的設計理念，將無人艇子系統分解為控制模塊、視頻模塊、導航模塊、通信模塊、艇體模塊、能源模塊、航行模塊以及功能模塊（水質環境檢測模塊）等，如圖4所示。其中控制模塊即為控制層，視頻模塊和導航模塊的GPS信號接收機屬于識別感知層，導航模塊的數傳電臺和通信模塊屬于通信鏈路層，艇體模塊、能源模塊、航行模塊以及功能模塊共同構成功能執行層。

圖 4 無人艇子系統結構框圖Fig. 4 Block diagram of USV subsystem

1）控制模塊

在USV運動控制子系統中，運動控制器除了要接收基站上位機的指令，運行控制算法，向電機控制器輸出控制信號，并檢測電機的反饋信號，還要接受GPS信號接收機接收到的USV位置及航向信息，然后通過無線網橋實時傳送給上位機。因此要求具有較強的運算能力、較短的運行周期及可靠的性能，采用西門子S7-1200系列PLC作為控制模塊，以實現對USV的航行控制。

2）視頻模塊

水域視頻信息采集模塊主要用于對USV周邊水域進行偵查和監視。在艇首部安裝海康威視DS-2CD3T00系列高清網絡攝像頭，用于獲取現場的實時視頻信息，再通過交換機和無線網橋傳回基站。

3）導航模塊

由于USV執行任務時，需要精確的導航定位信息，所以需要使用衛星導航系統。常規的GPS測量方法，如靜態、快速靜態、動態測量都需要事后進行解算才能獲得厘米級的精度，而本系統所采用的RTK技術是能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量方法，它采用了載波相位動態實時差分（Real-time kinematic）方法。其工作原理是將1臺接收機置于基準站上，另1臺或幾臺接收機置于載體（稱為流動站）上，基準站和流動站同時接收同一時間、同一GPS衛星發射的信號，基準站所獲得的觀測值與已知位置信息進行比較，得到GPS差分改正值。然后將這個改正值通過無線電數據鏈電臺及時傳遞給共視衛星的流動站精化其GPS觀測值，從而得到經差分改正后流動站較準確的實時位置。

4）通信模塊

USV與岸站的通訊和數據回傳主要有UHF/VHF無線電通訊方式、GSM/3G、海事衛星通信幾種通信方式。考慮到USV外出執行任務時與基站設備的距離并不是很遠，在基站和移動站上布置無線網橋，采用無線局域網進行通信。移動站同樣采用BodaCOM-6000系列無線網橋，支持最新的IEEE 802.11AC標準，設備工作在5.8 G免許可證頻段，支持POE供電，帶寬高達520 Mbps，傳輸距離不低于35 km。完全滿足本系統對通信的要求。

5）艇體模塊

艇體是USV子系統的載體。艇體作為USV所有設備的搭載平臺，確保設備的安全穩固是對其最基本的要求。艇體對USV的操縱性、靈活性、續航力、載重量和其他功能的實現上，都有較大的影響。首先對系統進行技術需求分析，根據分析結果初步確定艇型，隨后計算艇體的結構參數（主尺度、艇體結構與總體布置、重量控制與校核，艇體靜水力計算等）。根據艇體的結構參數，計算艇體的穩性，建立艇體的縮比模型，進行艇體靜水阻力試驗與耐波性試驗研究，掌握USV的阻力特性及在波浪中的運動響應特性。利用流體仿真軟件，建立USV的CFD仿真模型，對USV的水動力性能進行優化設計研究。

6）能源模塊

能源模塊提供全艇所需能源。常規的航行任務對USV的航速要求不高，但對持續航行時間以及巡航的水域面積有一定的要求，同時為避免柴油機的噪聲及燃油污染，采用4個20 000 mAh鉛蓄電池構成的蓄電池組對全艇進行穩定的24 V直流供電，為合理充分地利用電能，保證USV的各個用電系統的可靠運行，建立USV的能量管理系統。根據任務需要還可整體替換蓄電池組，以滿足連續執行任務的需要。

7）航行模塊

航行模塊主要對USV的航向和航速進行實時控制，以實現USV的航行功能。采用24 V雙直流伺服電機驅動的推進系統，通過雙螺旋槳的差速實現轉向。電推進系統相對傳統柴油機直接帶動螺旋槳推進相比較具有響應快、調速范圍寬、低速特性好等優點，并能夠結合供電系統實現全船能量的統一管理和合理分配，提高能量利用效率。

8）功能模塊

水質環境檢測為該系統的擴展功能，用于對特定的水域進行水質環境檢測分析，該模塊采用順序控制模式，完成全自動、一體化的水質采樣-攪拌-檢測-排出等流程。實現對獲取的多源動態水質環境數據進行一體化查詢、可視化分析等功能，從而幫助有關部門快速獲取相關水質環境監測信息[13 – 15]。

2 系統上位機監控軟件設計

為提供良好的可視化界面，設計本系統的上位機監控軟件分成2個界面。左邊為電子導航地圖軟件，采用C#編寫，右邊為系統控制軟件，采用Labview編寫。兩程序之間采用Socket協議通信[16]，以實現數據的交換。Socket是在應用層和傳輸層之間的一個抽象層，它把TCP/IP層復雜的操作抽象為幾個簡單的接口供應用層調用，以實現進程在網絡中的通信。

2.1 電子導航地圖軟件

電子導航地圖軟件的左半部分模擬了水域及周邊陸地環境，3艘USV會根據其實時經緯度及航向信息而實時顯示在地圖界面上；右半部分為USV搭載的攝像頭拍攝到的視頻信息。電子導航地圖有普通地圖和衛星地圖2種模式供操作人員選擇。“選項”子菜單可對IP地址、通信端口等參數進行配置，確保地圖與攝像頭以及系統控制軟件的通信暢通。

地圖軟件的“實時控制”模式如圖5所示，在該模式下可實時控制USV自動駛向選定的目標位置。

圖 5 電子導航地圖實時控制模式Fig. 5 Real time control model of electronic navigation map

圖6為地圖的“路徑規劃”模式。打開“路徑編輯器”，可以在地圖上實時規劃航行路徑，也可以向地圖導入預先規劃完成的路徑文件，還可以對路徑進行各種插值處理得到更加精確的路徑信息，并導出保存為path文件。系統控制軟件通過讀取該path文件，并解析出具體路徑，控制USV沿著該路徑航行。

2.2 系統監控軟件

結合控制要求，設計系統監控軟件，其界面如圖7所示。界面左半邊會實時顯示3艘USV的經緯度及航向信息，以及目標點經緯度坐標。

界面中部有著系統運作模式的切換控件和USV的選擇控件。“手動”模式可用下方的方向控鍵來遙控USV航行；“實時”以及“規劃”模式在2.1節已經敘述；“巡航”模式即將選定的位置點連成一個封閉的曲線，系統自動解算出一個最優切入點（切入角度小、切入距離短），使USV從該點切入并沿著該路線進行自主巡航；在“辨識”模式下，可分別給定左右螺旋槳不同轉速，并記錄航行狀態參數，由此可辨識USV的動力學參數，從而幫助建立USV的精確動力學模型。

界面的右半部分是為USV上搭載的水質環境監測模塊編寫的電化學數據記錄、顯示、分析界面，供環保人員進行水域環境保護狀態分析。軟件會同步保存檢測數據供有關人員帶回實驗室做進一步的分析研究。

3 無人艇控制系統設計

無人艇控制系統結構框圖如圖8所示，采用西門子S7-1200系列PLC作為USV的控制器，加配具有全雙工RS232串口的通信模塊（CM），連接艇載SDITimeNav-H雙天線GNSS定位測向接收機，以接收GPS信息，串口通信波特率為115 200 bps，數據采集頻率為5 Hz。通過識別幀頭“GPRMC”和“HEADINGA”來提取系統需要的經緯度、航速及航向信息[17]，實時傳輸給系統控制界面。系統控制界面與PLC之間采用Modbus/TCP協議通信[18]。基于TCP/IP的Modbus協議，將Modbus幀簡單的嵌入到TCP/IP幀中，開發容易，硬件成本低廉，適用于各種應用的解決方案，已成為自動化設備最廣泛支持的協議。

圖 8 無人艇控制系統結構框圖Fig. 8 Block diagram of USV control system

采用模擬量對推進器進行調速，由于該型號PLC的CPU模塊集成的模擬量輸出為電流，可在不添加模擬量輸出模塊的情況下，將電流模擬量輸出端口并聯一個250 Ω的定值電阻，即可將0～20 mA的電流模擬量轉化為0～5 V的電壓模擬量，用于控制伺服電推進器在0～1 500 rpm范圍內調速；PLC的數字量輸出連接繼電器用來控制推進器倒順車；將推進器集成的編碼器輸出總線接回PLC的高速計數器以獲取電機的實時轉速。推進器連接示意圖如圖9所示。

圖 9 水下電動推進器連接示意圖Fig. 9 Connection diagram of underwater electric propulsion

圖 10 無人艇運動控制原理圖Fig. 10 Schematic diagram of USV motion control

如圖10所示，USV的運動控制由外環航跡控制環、中間航向控制環、內環航速控制環3個閉環控制組成。航跡控制環將GPS接收到USV位置信息同規劃航線作比較，計算出航跡偏差，由航跡控制算法解算后向航向控制器發送航向控制命令消除航跡偏差，航向控制環將GPS接收機獲取的USV的實際航向與命令航向進行比較，得到航向偏差信號，通過航向控制算法向USV的雙機雙槳控制環發送一個速度差命令，雙機速度差控制環驅動電推進伺服系統使實際速度差與命令速度差一致，通過航向控制和雙機速度差控制共同作用以消除航向偏差。由3個閉環共同作用使USV消除位置、航向偏差實現航跡跟蹤控制。

4 調試與實驗

為了驗證系統的可行性，在拖曳水池實驗室對各子系統以及模塊進行聯調。經測試，通信正常，系統能夠穩定運行。

考慮實際情況，將整套系統運載至華中科技大學喻家湖湖區進行各項試驗，并記錄實驗數據（部分數據見表1和表2），試驗照片如圖11～圖12所示。

1）單艇推進功能試驗（分別測試3艘艇）：USV處于系泊狀態，使左推進器緩慢加速、右推進器緩慢加速、雙推進器同時加速、以及控制USV轉向。發現各項推進及轉向功能正常，GPS信號也能夠正常接收，可進行后續各項試驗。

2）單艇自由航行試驗（分別測試3艘艇）：解除系泊狀態，同時將控制界面調至“手動”模式，使雙推進器同步加速，USV直線航行；調整電機轉速差，控制USV的轉向；控制電機反轉，實現倒車功能。控制USV能在當前水域范圍內自由航行。

表 1 USV的GPS信息Tab. 1 GPS information of USV

表 2 水樣SWV掃描Tab. 2 SWV scanning of water sample

圖 11 單艇規劃航行Fig. 11 Single USV planning sailing

圖 12 雙艇跟蹤航行Fig. 12 Twin USVs tracking

3）單艇指定目標點航行試驗：控制界面調至“實時”模式，在電子地圖上實時選定一個目標點，USV立即自動駛向該點，當USV逐漸靠近目標點時，推進器隨之減速，使得USV最終停至該目標點。

4）單艇規劃航行試驗：控制界面調至“規劃”模式，在電子地圖上實時規劃路徑，或是加載預先規劃好的路徑文件，使USV按照該路徑航行。

5）雙艇跟蹤航行試驗：前艇航行20 m后，后艇起航；前艇手動操作轉向，后艇跟隨前艇運動；前艇規劃航行，后艇跟蹤。跟蹤航行過程中兩艇距離始終控制在20 m左右。

6）多艇編隊巡航試驗：控制界面調至“巡航”模式，在電子地圖上規劃出一個圓周軌跡，3艘USV保持艇間距20 m按照該軌跡進行編隊巡航。

7）拓展試驗（水質采樣分析）：在地圖上選定幾個采樣點，控制USV駛向該位置，并進行水質的一體化電化學采樣分析。

5 結 語

本文構建了一種水面無人艇集群系統，針對系統的硬件架構和軟件架構進行了詳細的闡述。基于模塊化的設計理念，將整個系統細分為各子系統（模塊），并對其進行選型及設計，使之有機結合成為一套完整的無人艇集群系統。通過對系統進行試驗驗證，結果表明：該集群系統能夠實現遙控航行、追蹤目標點航行、規劃路徑航行以及編隊自主巡航等多項功能。

隨著研究的繼續，會對本套無人集群系統進行擴展，如拓展無人機子系統、無人水下航行器子系統等。與此同時還會進一步展開對于涉海涉水相關目標探測與識別、信息處理、集群控制、人工智能等相關理論與技術的學習和探討，為無人集群的自主化、協同化和智能化研究打下堅實基礎。