水面無人船驅(qū)動電機遠程控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

田延飛，周欣蔚，熊 勇，牟軍敏

(1. 浙江海洋大學，船舶與海運學院，舟山 316022；2. 內(nèi)河航運技術湖北省重點實驗室，武漢 430063；3. 武漢理工大學，航運學院，武漢 430063)

0 引 言

近年來，隨著電子信息技術及計算機技術的不斷發(fā)展，船舶電子推進系統(tǒng)取得了極大突破[1]。電子推進系統(tǒng)因其空間占比小、操作性能好、自動化程度高和維護成本低的優(yōu)勢，成為水面無人船的主要推進系統(tǒng)[2]。一般地，研究船舶電力推進控制系統(tǒng)的成本較高，同時也存在開發(fā)周期較長等問題[2-5]。船舶驅(qū)動電機是船舶動力來源，是電力推進系統(tǒng)的關鍵組成。因此，研究并設計出高效的船舶驅(qū)動電機控制系統(tǒng)在實際的工程應用中有著重要的意義[6-7]。

目前，智能航運是一項研究熱點。智能船舶是智能航運的重要組成。其中，操縱控制技術是智能船舶關鍵之一。在目前智能航運發(fā)展主題下，研究船舶驅(qū)動電機的遠程控制、智能控制，對發(fā)展智能船舶、促進智能航運、規(guī)避海上人員安全風險等具有重要意義。

在應用系統(tǒng)開發(fā)方面，作為一款簡單、便捷、易上手的開源硬件產(chǎn)品[8]，Arduino因其各種優(yōu)勢而被廣泛應用。基于Arduino及其支持的各種傳感器模塊、通信模塊等，能夠方便地實現(xiàn)各種功能，如數(shù)據(jù)觀測、數(shù)據(jù)傳輸、本地自主控制、遠程遙控、視頻監(jiān)控等[9-12]。

針對智能航運時代背景下的船舶遠程操縱與控制，本文介紹一種面向水面無人船的驅(qū)動電機遠程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以Arduino MEGA 2560為中央控制板，采用GPRS實現(xiàn)遠程（無線）通信，以實現(xiàn)遠程控制的功能與目的。

1 控制系統(tǒng)設計

1.1 總體架構

設計的驅(qū)動電機遠程控制系統(tǒng)由無人船（艇）端和岸基操控端兩大部分組成。其中，無人船端由船體、無線通信模塊、中央控制板、電機及驅(qū)動、電源等構成；岸基操控端主要由操縱輸入設備、中央控制板、無線通信模塊等構成。系統(tǒng)架構圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結構總體設計Fig. 1 Overall structural design of the control system

船舶驅(qū)動電機控制系統(tǒng)中央控制板采用Arduino MEGA 2 560，無線通信模塊采用GPRS。Arduino MEGA 2 560組件與GPRS組件串聯(lián)并分別安裝于無人船端及岸基操控端。岸基操控端主要由操縱手柄（電機轉(zhuǎn)速）、上位機電腦等構成。總體上，岸基操控端操縱手柄用于輸入操縱命令，經(jīng)無線通信傳輸至無人船端，進而控制電機。同時，無人船端電機轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)經(jīng)無線通信反饋至岸基操控端，并在上位機電腦進行可視化顯示（無人船運動狀態(tài)監(jiān)測）。

1.2 主要硬件及作用

設計的船舶驅(qū)動電機控制系統(tǒng)中控制、通信、動力、操縱、顯示等功能硬件主要有中央控制板、無線通信模塊、電機及驅(qū)動、操縱輸入與狀態(tài)顯示設備等。

1.2.1 中央控制模塊

設計的船舶驅(qū)動電機控制系統(tǒng)采用具有多個輸入輸出接口[6]的Arduino MEGA 2 560元件作為中央控制板。元件工作電壓、接口等參數(shù)見文獻[7-8]。

無人船端，中央控制板主要用于：通過控制電平信號的高低來改變電動船用推進器電機的旋轉(zhuǎn)方向，通過控制PWM值的變化來改變電機轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)了對運動方向及運動速度的控制；各設備（模塊）聯(lián)動，以實現(xiàn)信息收發(fā)功能。岸基操控端，中央控制板主要用于各設備（模塊）聯(lián)動，以實現(xiàn)信息收發(fā)功能。

1.2.2 無線通信模塊

設計的船舶驅(qū)動電機控制系統(tǒng)采用通用分組無線服務（GPRS）技術實現(xiàn)實時無線通信。硬件方面，本文采用USR-GM3P GPRS模塊。

1.2.3 電機及驅(qū)動

自行設計并研發(fā)出的無人船“海之靈1”采用外掛式整體型船用電動推進器（見圖2）中的直流電機及螺旋槳（圖2線框內(nèi)部分，2套）。電機工作電壓12 V，輸出功率約800 W。

圖2 船用電動推進器Fig. 2 Marine electric propeller

1.2.4 操縱輸入與狀態(tài)顯示設備

設計的船舶驅(qū)動電機控制系統(tǒng)中，岸基操控端的操縱輸入與狀態(tài)顯示設備主要由左/右轉(zhuǎn)速操縱手柄、上位機電腦等構成。總體上，岸基操控端的操控命令，經(jīng)無線通信（由Arduino 2 560和GPRS模塊實現(xiàn)該功能）傳輸至無人船端，進而控制電機；無人船端電機轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)經(jīng)無線通信反饋至岸基操控端，并在上位機電腦進行可視化顯示。同時，上位機電腦安裝Arduino IDE，GPRS助手等，用于對系統(tǒng)進行開發(fā)、調(diào)試與配置。

2 操控方式與通信流程

設計的船舶驅(qū)動電機控制系統(tǒng)可在2種操控方式實現(xiàn)無線通信與遠程控制：岸基端人工操控和岸基端自動操控。操控方式與系統(tǒng)通信流程見圖3。

1）岸基端人工操控方式通信流程

在岸基操控端人工輸入左車、右車轉(zhuǎn)速的相關指令；操控指令經(jīng)Arduino模塊，GPRS模塊傳輸至無人船端，并指示電機驅(qū)動；電機響應，改變船舶運動狀態(tài)；到達操縱目的，進入狀態(tài)保持操縱階段；未達到操縱目的，則繼續(xù)執(zhí)行上述步驟。

2）岸基端自動操控方式通信流程

對航線進行人工規(guī)劃：在岸基操控端上位機軟件中輸入目的點；規(guī)劃航線經(jīng)Arduino模塊，GPRS模塊傳輸至無人船端；無人船端進行航線規(guī)劃：航向計算；無人船端基于PID計算電機轉(zhuǎn)速控制指令，并指示電機驅(qū)動；電機響應，改變船舶運動狀態(tài)；到達規(guī)劃航向，進入狀態(tài)保持操縱階段；未達到規(guī)劃航向，則繼續(xù)執(zhí)行上述步驟。

圖3 操控方式與系統(tǒng)通信流程Fig. 3 Control mode and the communication process

3 測試與驗證

基于模型船、實際無人船“海之靈1”對設計的船舶驅(qū)動電機控制系統(tǒng)進行調(diào)試、測試，以完成系統(tǒng)研發(fā)和應用驗證。試驗內(nèi)容主要包括遠程轉(zhuǎn)向操縱、航向保持、旋回操縱、Z型操縱等。

經(jīng)過實際無人船的測試與應用驗證，本文設計的船舶驅(qū)動電機遠程控制系統(tǒng)主要達到了如下功能和效果：

1）操縱與控制

系統(tǒng)執(zhí)行相應的控制指令，改變電機旋轉(zhuǎn)速度及方向，實現(xiàn)無人船運動狀態(tài)的改變。

2）航向保持與路徑跟蹤

在岸基操控端設置固定的航向或跟蹤的路徑后，控制系統(tǒng)能夠使得無人船保持穩(wěn)定的航向或跟蹤設置的路徑。

3）無線通信

主要通過GPRS來實現(xiàn)操控端與無人船端的無線通信。

基于實際無人船的驗證表明，本文設計的基于Arduino船舶驅(qū)動電機遠程控制系統(tǒng)操作方便，通信流暢，運行穩(wěn)定，能夠用于無人船遠程操縱和控制。

4 結 語

本文設計并實現(xiàn)了一種面向水面無人船的驅(qū)動電機遠程控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以Arduino MEGA 2560為中央控制器，包含中央控制模塊、電機驅(qū)動模塊、無線通信模塊和岸基操控端。通過遠程控制驅(qū)動電機，實現(xiàn)船舶前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等運動狀態(tài)的轉(zhuǎn)換；通過GPRS實現(xiàn)無人船端與岸基操控端的無線通信。實船測試表明，系統(tǒng)操作方便，通信流場，運行穩(wěn)定，能夠用于無人船遠程操縱和控制。系統(tǒng)優(yōu)勢在于設計成本低、制造周期短、可擴展性良好。系統(tǒng)能夠為船舶驅(qū)動電機遠程控制工程應用提供參考，為無人船的發(fā)展提供支持。