功能型無(wú)人艇控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于東，周軍偉，吳沫，李東豫/ 哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)，山東省 威海市 264209

對(duì)于功能型無(wú)人艇而言其控制系統(tǒng)是整個(gè)船艇的大腦核心，因而控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是無(wú)人艇設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵因素之一。本文結(jié)合一艘已完成設(shè)計(jì)、制作和測(cè)試的無(wú)人艇對(duì)功能型無(wú)人艇的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，這一設(shè)計(jì)思想總結(jié)而言即是“中樞系統(tǒng)協(xié)調(diào)，各模塊明確分工，相互協(xié)作，共同完成任務(wù)”。同時(shí)也對(duì)這一控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的總結(jié)，并提出了無(wú)人艇控制系統(tǒng)后續(xù)所需改進(jìn)與發(fā)展的方向。

當(dāng)宇宙飛船飛離太陽(yáng)系，當(dāng)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡不斷擴(kuò)展可見(jiàn)宇宙的邊緣，當(dāng)人類(lèi)在宇宙空間的視野不斷拓展時(shí)，人類(lèi)眼前的大片區(qū)域，占地球表面積71%的海洋卻還有很大一部分未被人類(lèi)所探索。究其原因，很大程度在于海洋復(fù)雜環(huán)境的危險(xiǎn)性，而未勘探海洋區(qū)域，由于已知信息較少，其存在危險(xiǎn)的可能性較已探測(cè)區(qū)域而言大得多，分析其危險(xiǎn)性的來(lái)源主要是水域情況、海底暗礁、海域環(huán)境以及海洋生物等自然因素。自大航海時(shí)代以來(lái)，人類(lèi)對(duì)于海洋的探索一直都未從停歇，而在近幾十年間，隨著科技的進(jìn)步，航海技術(shù)、海洋裝備等涉海探索技術(shù)的高速發(fā)展以及陸地資源的日益開(kāi)采等客觀因素，各國(guó)紛紛提出了大力發(fā)展海洋的戰(zhàn)略目標(biāo)，如美國(guó)的海洋政策、加拿大的海洋戰(zhàn)略、歐盟的海洋綜合政策以及我國(guó)的海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略等等。而要實(shí)現(xiàn)大力發(fā)展海洋的戰(zhàn)略目標(biāo)，勘探未知水域，開(kāi)發(fā)新的海洋區(qū)域是必不可少的一步，鑒于未知海域的危險(xiǎn)性，采用無(wú)人艇對(duì)其進(jìn)行水域、環(huán)境、近水面區(qū)域等的先期探測(cè)將會(huì)大大降低對(duì)未知海域探測(cè)所帶來(lái)的危險(xiǎn)性，同時(shí)也能夠極大程度上避免人員傷亡和重大財(cái)產(chǎn)損失。

無(wú)人艇(Unmanned Surface Vehicle， USV)通常指的是可以在水面上自主航行、無(wú)人作業(yè)的小型船艇，其可以通過(guò)搭載不同的功能模塊完成相應(yīng)的任務(wù)，以實(shí)現(xiàn)降低風(fēng)險(xiǎn)或降低成本等目的。近年來(lái)，隨著控制理論、控制技術(shù)的不斷完善與發(fā)展，隨著水域中無(wú)人作業(yè)需求的不斷增多，國(guó)內(nèi)外在無(wú)人艇領(lǐng)域的研究與發(fā)展也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。無(wú)人艇由于具有較低的安全成本和人工成本，以及可搭載功能模塊赴目標(biāo)水域自主完成采樣、檢測(cè)、環(huán)境偵察、水域探測(cè)等任務(wù)的特性，其已被廣泛的應(yīng)用于水域環(huán)境檢測(cè)、垃圾清理、養(yǎng)殖、海洋漁業(yè)及水藻清理等民用領(lǐng)域，同時(shí)也已一定程度上應(yīng)用在了涉海領(lǐng)域的科學(xué)研究當(dāng)中；無(wú)人艇同樣由于其具有無(wú)人偵察、探測(cè)、目標(biāo)追蹤、精準(zhǔn)打擊等功能，已開(kāi)始在軍事領(lǐng)域應(yīng)用中嶄露頭角。無(wú)人艇作為一個(gè)搭載任務(wù)功能模塊的平臺(tái)，對(duì)于其自身航行控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求是尤為嚴(yán)格，因?yàn)闊o(wú)論利用無(wú)人艇完成什么樣的任務(wù)，保證其能夠安全、精確、穩(wěn)定的航行至目標(biāo)區(qū)域是完成任務(wù)的首要條件，因此對(duì)于航行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是極其重要的，也是無(wú)人艇設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵因素。

無(wú)人控制系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)

萬(wàn)丈高樓平地起，任何工程均需要有條不紊的從頭開(kāi)始，而在任何項(xiàng)目進(jìn)入實(shí)際操作之前均需要在前期進(jìn)行詳細(xì)、合理的設(shè)計(jì)。對(duì)于無(wú)人船的控制系統(tǒng)而言，其框架設(shè)計(jì)即是前期設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。無(wú)人船控制系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)主要是對(duì)其控制系統(tǒng)中各模塊的功能進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，并且詳細(xì)考慮各模塊的軟硬件資源分配，以實(shí)現(xiàn)無(wú)人船的功能規(guī)劃，同時(shí)也要著重考慮后續(xù)功能的可擴(kuò)展性，以合理設(shè)計(jì)無(wú)人船控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多功能、多用途作業(yè)的需求。

功能型無(wú)人艇的控制系統(tǒng)按照功能大類(lèi)區(qū)分主要有兩部分：航行控制系統(tǒng)和任務(wù)功能控制系統(tǒng)。其中航行控制系統(tǒng)指的是控制船艇航行的模塊，其可分為：遙控航行模塊和自主航行模塊；特定功能控制系統(tǒng)指的是無(wú)人艇上需進(jìn)行無(wú)人作業(yè)的控制模塊，其種類(lèi)繁多，例如圖像采集、環(huán)境監(jiān)測(cè)、水質(zhì)探測(cè)、無(wú)人投放、垃圾收集、水藻清理等。無(wú)人艇上的這些模塊需合理的配合才能夠更好的完成終端機(jī)所派發(fā)給無(wú)人艇的任務(wù)，因此在對(duì)功能型無(wú)人艇控制系統(tǒng)框架進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮各個(gè)模塊的可兼容性及后續(xù)各模塊功能的可優(yōu)化性等性能。無(wú)人艇執(zhí)行任務(wù)時(shí)的工作流程框架圖如圖1所示。

圖1 無(wú)人艇執(zhí)行功能任務(wù)時(shí)的工作流程框架圖

在設(shè)計(jì)無(wú)人艇的控制系統(tǒng)時(shí)考慮到各模塊間的可兼容性以及后續(xù)功能的可擴(kuò)展性和可優(yōu)化性等因素，決定采用主控模塊和各功能模塊獨(dú)立控制的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇的控制系統(tǒng)功能。即無(wú)人艇的上位機(jī)主程序模塊具有一套單獨(dú)的軟硬件控制系統(tǒng)，同時(shí)其每一個(gè)功能模塊也均具有的獨(dú)立的軟硬件控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框架圖見(jiàn)圖2。如此便能夠保證各功能模塊間相互獨(dú)立、作業(yè)時(shí)互不干擾，同時(shí)又能夠通過(guò)上位機(jī)的中樞控制程序?qū)⒏鞴δ苣K相互協(xié)調(diào)、相互兼容，使得其協(xié)同作業(yè)，以實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇的設(shè)計(jì)功能。

通過(guò)以上描述，不難看出，本文中提出的無(wú)人艇控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想為：中樞系統(tǒng)協(xié)調(diào)，各模塊獨(dú)立運(yùn)行。根據(jù)這一思想設(shè)計(jì)無(wú)人艇控制系統(tǒng)雖然存在著硬件資源浪應(yīng)用不足、船艇空間浪費(fèi)等缺點(diǎn)，但是其可以極大的保證各模塊的兼容性，同時(shí)也為后續(xù)功能擴(kuò)展提供了很大的空間，并且極大的改善了設(shè)計(jì)和制作過(guò)程中更換不同型號(hào)硬件所帶來(lái)的大量改動(dòng)等問(wèn)題，很適合當(dāng)下無(wú)人艇技術(shù)發(fā)展尚未成熟的現(xiàn)狀。

無(wú)人船控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

對(duì)于功能型無(wú)人艇而言，其所需的任務(wù)功能模塊并不相同，但是其對(duì)于航行模塊的需求，卻都是必不可少的。而無(wú)人艇設(shè)計(jì)的過(guò)程中需根據(jù)不同需求，設(shè)計(jì)不同的功能模塊，且功能模塊繁多，本文結(jié)合無(wú)人艇的航行模塊設(shè)計(jì)對(duì)其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，不再一一介紹各功能模塊的設(shè)計(jì)。

圖2 無(wú)人艇控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 無(wú)人艇控制系統(tǒng)硬件功能框架圖

在對(duì)無(wú)人艇的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，軟硬件的設(shè)計(jì)均必不可少，而在對(duì)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮硬件產(chǎn)品的適用性和可靠性，即要保證硬件設(shè)備既能夠滿足控制程序使用的需求，又能夠耐久耐用。根據(jù)上文所提無(wú)人艇設(shè)計(jì)思路，中樞控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各模塊間的工作，因此對(duì)于中樞控制系統(tǒng)的硬件選擇是整個(gè)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。而在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，需綜合考慮無(wú)人艇所需功能，并且結(jié)合試驗(yàn)效果協(xié)同分析，最終選擇最優(yōu)的中樞控制系統(tǒng)(上位機(jī))硬件，本文介紹的無(wú)人艇上位機(jī)采用的是樹(shù)莓派3代開(kāi)發(fā)板(Raspberry Pi 3)，其主要負(fù)責(zé)為下位機(jī)傳達(dá)控制模式指令(自主航行、遙控航行)和下一步航行規(guī)劃，而航行控制系統(tǒng)(下位機(jī))硬件采用的STM32F103開(kāi)發(fā)板，其主要負(fù)責(zé)定位(GPS)信息、船艇姿態(tài)信息和其他航行相關(guān)傳感器信息的接收，并解算當(dāng)前位置、船艇姿態(tài)、運(yùn)行情況等船艇航行數(shù)據(jù)信息，同時(shí)根據(jù)上位機(jī)反饋回的航行規(guī)劃信息解算船艏轉(zhuǎn)向角度，并控制槳、舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，使得無(wú)人船艇可根據(jù)上位機(jī)指令按規(guī)劃航跡航行。在主要考慮航行性能的無(wú)人艇控制系統(tǒng)中，中樞控制系統(tǒng)(上位機(jī))硬件和航行控制系統(tǒng)(下位機(jī))硬件確定完成，且各控制模塊硬件功能劃分明確，則無(wú)人艇的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)初步完成，其功能框架圖見(jiàn)圖3。

無(wú)人船控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

無(wú)人艇控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)完成后，需根據(jù)硬件情況選擇合適的語(yǔ)言編制無(wú)人艇的控制程序，文中所介紹的無(wú)人艇控制系統(tǒng)程序采用C++編寫(xiě)。在編制控制程序前，首也應(yīng)該理清程序的構(gòu)架。

本文介紹的無(wú)人艇控制程序由上位機(jī)程序和下位機(jī)程序兩部分構(gòu)成，其中上位機(jī)程序主要包含航行模式控制程序、遙控信息給定程序以及下位機(jī)反饋信息處理程序等幾部分內(nèi)容。航行模式控制程序中是通過(guò)識(shí)別遙控器所發(fā)信號(hào)來(lái)判斷采用遙控模式航行還是自主模式航行，如接收器識(shí)別出的是高頻信號(hào)，則控制模式參數(shù)定義為0，采用遙控模式航行，相反若識(shí)別出的是低頻信號(hào)，則控制模式參數(shù)定義為1，采用自主模式航行；遙控程序中采用PWM波來(lái)傳輸遙控信息，并將遙控信息處理后傳遞給下位機(jī)，使得下位機(jī)可以控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)船艇航行狀態(tài)的控制；在自主航行程序里，將預(yù)設(shè)GPS坐標(biāo)點(diǎn)提前編寫(xiě)至控制程序當(dāng)中，而下位機(jī)程序每隔0.5s向上位機(jī)反饋一次船艇當(dāng)前位置和航行狀態(tài)，上位機(jī)程序解算船艇是否到達(dá)預(yù)設(shè)航跡點(diǎn)的容錯(cuò)范圍內(nèi)(2m以內(nèi))，如到達(dá)，則解算下一步航向，并向下位機(jī)下達(dá)下一步航行指令，如未達(dá)到預(yù)設(shè)航跡點(diǎn)附近，則解算船艇是否偏離航向，如未偏離，則向下位機(jī)傳達(dá)繼續(xù)航行指令，如偏離預(yù)設(shè)航向則解算當(dāng)前正確航向數(shù)據(jù)，并向下位機(jī)下達(dá)正確航向數(shù)據(jù)，以讓下位機(jī)控制船艇回到正確航向，其軟件設(shè)計(jì)流程圖見(jiàn)圖4。

下位機(jī)程序中主要包含推進(jìn)電機(jī)控制程序、GPS信號(hào)接收及處理程序、船艇姿態(tài)信號(hào)接收及處理程序、系統(tǒng)自檢及初始化程序等功能型模塊程序，其中推進(jìn)電機(jī)控制程序通過(guò)控制電機(jī)的輸入電壓和電流來(lái)控制其轉(zhuǎn)速，以此實(shí)現(xiàn)控制船艇運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)；GPS信號(hào)接收及處理程序和船艇姿態(tài)信號(hào)接收及處理程序主要是用來(lái)接收并處理GPS傳感器和姿態(tài)傳感器(陀螺儀)的回傳數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)程序中，上位機(jī)根據(jù)位置信息

及姿態(tài)信息判斷船艇目前位置和航向，以保證船艇能夠按照預(yù)設(shè)軌跡航行；系統(tǒng)自檢及初始化程序主要是檢查下位機(jī)系統(tǒng)軟硬件信息是否出錯(cuò)，同時(shí)將GPS傳感器和姿態(tài)傳感器初始化，以避免傳感器因?yàn)槲恢没蜃藨B(tài)的轉(zhuǎn)變而出現(xiàn)的錯(cuò)誤，也減小了由于傳感器長(zhǎng)時(shí)間使用而產(chǎn)生的溫漂等誤差。

實(shí)驗(yàn)與分析

圖4 自主航行控制程序軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖5天鵝湖測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

根據(jù)以上文中所介紹的無(wú)人艇控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，已完成了一艘小型無(wú)人艇的設(shè)計(jì)與制作，并已在哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)校內(nèi)天鵝湖及山大(威海)校內(nèi)文心湖中進(jìn)行過(guò)自主航行測(cè)試，圖5和圖6是測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)照片。湖中測(cè)試結(jié)果顯示船艇能夠較好的按照規(guī)劃航跡運(yùn)行，天鵝湖中的測(cè)試結(jié)果路徑如圖7所示。

從圖7中的航跡結(jié)果可以看出，實(shí)際航跡與規(guī)劃航跡幾乎完全重合，且實(shí)際航跡中的偏離點(diǎn)也完全在航行程序的容錯(cuò)范圍之內(nèi)，由此結(jié)果可以看出文中所提出的無(wú)人艇控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路是完全可行的。

結(jié)論與展望

本文在綜合考慮無(wú)人艇控制系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)上，總結(jié)了功能型無(wú)人艇的設(shè)計(jì)思想，并結(jié)合一艘實(shí)際設(shè)計(jì)、制作完成的無(wú)人艇對(duì)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)流程和思路進(jìn)行了介紹，同時(shí)通過(guò)對(duì)該無(wú)人艇的實(shí)際航行測(cè)試，檢驗(yàn)了設(shè)計(jì)思路的可行性和已完成的控制系統(tǒng)的可靠性。

圖7 天鵝湖中測(cè)試結(jié)果路徑

圖6 文心湖測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

文中介紹的無(wú)人艇控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路雖然在很大程度上滿足了無(wú)人艇各功能模塊的兼容性、可靠性和可擴(kuò)展性，極大的簡(jiǎn)化了無(wú)人艇軟硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中的難度，但不可否認(rèn)的是，根據(jù)這一思想設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在很大程度上存在著控制資源和艇空間資源浪費(fèi)等問(wèn)題，因此，后續(xù)在無(wú)人艇控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中保證其兼容性、可靠性和可擴(kuò)展性的基礎(chǔ)上，更好的優(yōu)化控制資源和艇空間資源將是一個(gè)必須研究的重要內(nèi)容。 ■

(參考文獻(xiàn)：略。如有需要，請(qǐng)聯(lián)系編輯部。)