對無人船控制系統的初步研究及應用

張桂軍 馮凱 呂錦釗 陳文林

摘? ? 要：本文研究了無人船控制系統的硬件及軟件設計，給出了硬件系統的組成結構，提出了軟件設計的流程，并進行了無人船控制系統的軟件開發。控制系統硬件平臺以PC104為核心，主要組件有控制器、通訊模塊、各種傳感器等;軟件平臺則是在DOS系統的基礎上進行開發;最后進行了無人船的實船試驗，結果表明，該控制系統能實現對無人船的有效控制。

關鍵詞：無人船;控制系統;實船試驗

中圖分類號：U666.1? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： This paper studies the control system of the unmanned ship， introduces the structure of the hardware system， puts forward the procedure of software design and develops the software of the control system. PC104 is the core of the hardware platform， the main components are controller， communication module， various sensors and so on， and the software platform is developed on the basis of DOS system. Finally， the real ship test of unmanned ship is carried out. The test results show that the control system can effectively control the unmanned ship.

Key words： Unmanned ship; Control system; Real ship test

1? ? ?前言

隨著海洋開發的逐步深入，人們對無人船的認識和需求都在不斷加強。無人船是一種具有自主航行能力，可自主實現環境感知、目標探測等任務的智能化水面機器人[1-2]。無人船在軍事領域已經得到了實際應用，“斯巴達偵查兵”等無人船已正式加入美國作戰部隊序列，開始接受戰爭的考驗。無人船已被公認是未來戰爭中爭奪信息優勢、實施精確打擊、完成特殊作戰任務的重要手段之一，在未來信息化的戰場中將發揮重要作用。此外，無人船在惡劣海況下搜救、海底地形探測等方面也有著巨大的實用價值，可代替人們在水面完成危險、繁重的任務，因此無人船受到越來越廣泛的關注[3]。

無人船正由半自動化逐漸向智能化發展[4]。我國的無人船控制技術還有很大的提升空間，許多關鍵領域的難題還有待攻克[5]，其控制系統的性能優劣將直接影響到無人船的功能能否順利實現。本文在已有的船模和推進器的基礎上，設計了一套無人船的控制系統，初步實現了無人船控制系統的順利運行。

2? ? 無人船控制系統簡介

2.1? ?控制系統的組成

無人船的控制系統分為岸基控制平臺和船載控制系統兩部分：船載控制系統以PC104為硬件平臺，軟件平臺則是采用DOS系統。主要硬件組件，由控制器、GPS接收機、姿態傳感器、無線串口通訊模塊以及推力電機等組成;岸基控制平臺，則是以PC為硬件平臺，以VisualC++為開發控制界面。

2.2? ?控制過程

無人船的控制過程分為兩個階段：第一階段是系統初始化，裝載任務參數;第二階段則是任務執行階段。在初始化階段，岸基控制平臺設定相關的航行任務及控制參數，參數裝載完成后由岸基控制平臺發送相關指令;船載控制系統接收到航行指令及參數后，控制器解算控制指令，隨即進入任務執行階段。

船載控制系統開始周期性地采集GPS以及姿態傳感器的相關信息，并上傳至船載控制系統對相關信息進行處理;然后將處理得到的速度、位置、姿態等信息傳送至控制器;控制器將接收到的航行信息輸入到航行任務的控制算法中，控制系統完成控制參數的解算后將新的控制參數發送至船載控制系統，船載控制系統根據接收到的最新控制指令控制無人船的運行;上述過程在無人船執行任務的運行過程中不斷循環，并保持到航行任務結束或者接收到岸基控制平臺的停止運行的指令為止。無人船控制系統的組成圖，如圖1所示。

3? ? 無人船控制系統硬件設計

3.1? ?船載控制系統硬件設計

根據試驗項目的不同，船載控制系統的硬件可進行適當的增減。本文研究的無人船旨在搭建一個實驗平臺，初步進行無人船航向及速度的控制。系統的硬件設備主要包括：PC104工控機、姿態傳感器、GPS接收機、無線串口通訊模塊以及電機控制模塊等，其硬件結構原理圖如圖2所示。

（1）PC104工控機，主要由下列幾部分組成：CPU模塊、數據采集模塊及串口擴展模塊。CPU模塊通過總線與其它模塊進行信息交流，用于處理傳感器數據及進行航行控制管理等;串口擴展模塊擴展了四個串口，選擇其中的1個串口用于采集姿態傳感器信息;數據采集模塊選其中的一個I/O口和兩個D/A口，分別用作繼電器控制信號和電機控制信號的輸出;

（2）GPS主要是為船載控制系統提供船的實時經度、速度、緯度等信息，其自主定位精度不小于1m;

（3）姿態傳感器，實際是一個微型的測量航向和姿態的系統，它由磁力計和加速度計組成。磁力計能夠測出船只航行的方向;加速度計能夠測出與重力的夾角，從而計算出船只的姿態。

傳感器內置的處理器，功耗極低，航向角輸出值沒有漂移，同時提供的角速度、三軸加速度以及磁場強度等都經過內部校準，它為船載控制系統實時提供船的航向角、俯仰角、橫滾角等姿態信息;

（4）無線通訊模塊，使用Lora無線通信技術，通信距離遠、誤碼率低、可靠性高，負責岸基控制平臺與船載控制系統之間的信息傳輸，同時將無人船的速度、經緯度、姿態等信息反饋給岸基控制平臺，以便于岸基控制平臺對無人船的實時航行狀態進行監控;

（5）電機控制模塊用于驅動直流電機，CPU輸出數字信號，經過數模轉換后變成一個電壓信號，通過調節電壓的大小來調節電機的轉速。電機控制模塊左右各一個，用于調節航速和航向;

（6）信號隔離器，負責將工控機和電機進行隔離，避免兩者共地，這樣電機所產生的干擾信號不會通過地線傳導到控制系統，增加了系統的可靠性。

3.2? ?岸基控制平臺硬件設計

岸基控制平臺的硬件設備，主要由PC機和無線通訊模塊兩部分組成：PC機主要用于運行無人船的控制軟件，將控制信息通過專用無線通訊模塊發送至船載控制系統。

4? ? 無人船控制系統軟件設計

4.1? ?船載控制系統軟件應用方案

船載控制系統的功能，主要是實現無人船的航行控制。在無人船啟動階段，進行硬件接口和軟件接口的初始化;開始航行后，分別讀取由GPS提供的無人船的速度、經度、緯度及由姿態傳感器提供的偏航角、俯仰角、橫滾角等信息。根據岸基控制平臺設定的航行任務，船載控制系統根據本船實時航行狀態給出新的控制指令，通過采集板輸出電機控制D/A和I/O信號來驅動無人船的航行，船載控制系統將最新的航行狀態信息發送至岸基控制平臺，便于岸上人員及時了解無人船的運行狀況;同時，船載控制系統根據無人船新的航行信息進行控制算法的解算，再給出新的航行指令，此過程一直循環到任務結束或者岸基平臺發出新指令為止。

船載控制系統軟件流程圖，如圖3所示。

4.2? ?姿態傳感器數據處理算法

姿態傳感器數據關系到船只航行的方向和垂直角度，所以非常重要。它內置的處理器采集來自加速度計和磁力計的數據，對比岸基控制平臺發來的任務，根據這個誤差來計算和調節航行中的狀態偏差。

4.3? 岸基控制平臺軟件應用方案

岸基控制平臺的硬件主要是PC機和無線通訊模塊，其主要功能是進行無人船航行任務的設置、發送指令信息、接收監控信息并做好數據記錄等;在遇到緊急情況時，岸基控制平臺還應具備一項停止無人船運動的功能。

5? ? ?實船試驗主要參數及解算

為了驗證無人船的航向控制性能，對無人船進行航向角跟蹤控制試驗。無人船在船尾安裝兩個電動螺旋槳推進器，兩個尾部推進器的轉速差產生旋轉力矩，其所受旋轉力矩以及推進力為：

設定航向為正北方向（即航向角為），取無人船初始的航向角為，實驗結果如圖4所示：在初始階段，無人船航向角與設定航向角差值較大，無人船的航向角可迅速調整至設定值;在隨后運行的過程中，實際航向角基本圍繞著設置值附近上下波動，其跟蹤控制的穩態誤差不大于，基本滿足無人船路（下轉第頁）（上接第頁）

徑跟蹤控制實驗的要求。

6? ? 結論

本文搭建了一套無人船控制系統，并進行詳細的軟、硬件設計，最后采用實船試驗的方式對控制系統的應用效果進行了驗證：控制系統基本實現了事先設定的航向角的跟蹤控制，初步證明了控制系統的有效性。但本試驗為湖中預制區域試驗，試驗環境遠沒有實際海洋環境惡劣，而且試驗功能相對簡單，對于系統在復雜海況環境下進行復雜控制任務的性能，還有待更深入的研究。

參考文獻

[1]石 祥.水面無人船控制系統設計與研究[D].上海海洋大學，2015.

[2]何 萍.全球海戰機器人[M].北京：解放軍出版社，2012.

[3]張樹凱，劉正江，張顯庫，等.無人船艇的發展及展望[J].世界海運，2015，38（9）：29-36.

[4]曹娟，王雪松.國內外無人船發展現狀及未來前景[J].北京：中國船檢，2018，（5）：94-97.

[5]佟科斌.水質采樣無人船控制系統設計[D].海南大學，2017.