對無人船控制系統(tǒng)的初步研究及應(yīng)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(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計，給出了硬件系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，提出了軟件設(shè)計的流程，并進(jìn)行了無人船控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)?？刂葡到y(tǒng)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(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā);最后進(jìn)行了無人船的實船試驗，結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)能實現(xiàn)對無人船的有效控制。

關(guān)鍵詞：無人船;控制系統(tǒng);實船試驗

中圖分類號：U666.1? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(fā)的逐步深入，人們對無人船的認(rèn)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(xiàn)環(huán)境感知、目標(biāo)探測等任務(wù)的智能化水面機器人[1-2]。無人船在軍事領(lǐng)域已經(jīng)得到了實際應(yīng)用，“斯巴達(dá)偵查兵”等無人船已正式加入美國作戰(zhàn)部隊序列，開始接受戰(zhàn)爭的考驗。無人船已被公認(rèn)是未來戰(zhàn)爭中爭奪信息優(yōu)勢、實施精確打擊、完成特殊作戰(zhàn)任務(wù)的重要手段之一，在未來信息化的戰(zhàn)場中將發(fā)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(wù)，因此無人船受到越來越廣泛的關(guān)注[3]。

無人船正由半自動化逐漸向智能化發(fā)展[4]。我國的無人船控制技術(shù)還有很大的提升空間，許多關(guān)鍵領(lǐng)域的難題還有待攻克[5]，其控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣將直接影響到無人船的功能能否順利實現(xiàn)。本文在已有的船模和推進(jìn)器的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套無人船的控制系統(tǒng)，初步實現(xiàn)了無人船控制系統(tǒng)的順利運行。

2? ? 無人船控制系統(tǒng)簡介

2.1? ?控制系統(tǒng)的組成

無人船的控制系統(tǒng)分為岸基控制平臺和船載控制系統(tǒng)兩部分：船載控制系統(tǒng)以PC104為硬件平臺，軟件平臺則是采用DOS系統(tǒng)。主要硬件組件，由控制器、GPS接收機、姿態(tài)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(fā)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(tǒng)初始化，裝載任務(wù)參數(shù);第二階段則是任務(wù)執(zhí)行階段。在初始化階段，岸基控制平臺設(shè)定相關(guān)的航行任務(wù)及控制參數(shù)，參數(shù)裝載完成后由岸基控制平臺發(fā)送相關(guān)指令;船載控制系統(tǒng)接收到航行指令及參數(shù)后，控制器解算控制指令，隨即進(jìn)入任務(wù)執(zhí)行階段。

船載控制系統(tǒng)開始周期性地采集GPS以及姿態(tài)傳感器的相關(guān)信息，并上傳至船載控制系統(tǒng)對相關(guān)信息進(jìn)行處理;然后將處理得到的速度、位置、姿態(tài)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(wù)的控制算法中，控制系統(tǒng)完成控制參數(shù)的解算后將新的控制參數(shù)發(fā)送至船載控制系統(tǒng)，船載控制系統(tǒng)根據(jù)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(zhí)行任務(wù)的運行過程中不斷循環(huán)，并保持到航行任務(wù)結(jié)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(tǒng)的組成圖，如圖1所示。

3? ? 無人船控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1? ?船載控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)試驗項目的不同，船載控制系統(tǒng)的硬件可進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑鰷p。本文研究的無人船旨在搭建一個實驗平臺，初步進(jìn)行無人船航向及速度的控制。系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要包括：PC104工控機、姿態(tài)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(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)采集模塊及串口擴展模塊。CPU模塊通過總線與其它模塊進(jìn)行信息交流，用于處理傳感器數(shù)據(jù)及進(jìn)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(tài)傳感器信息;數(shù)據(jù)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(tǒng)提供船的實時經(jīng)度、速度、緯度等信息，其自主定位精度不小于1m;

（3）姿態(tài)傳感器，實際是一個微型的測量航向和姿態(tài)的系統(tǒng)，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(tài)。

傳感器內(nèi)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(jīng)過內(nèi)部校準(zhǔn)，它為船載控制系統(tǒng)實時提供船的航向角、俯仰角、橫滾角等姿態(tài)信息;

（4）無線通訊模塊，使用Lora無線通信技術(shù)，通信距離遠(yuǎn)、誤碼率低、可靠性高，負(fù)責(zé)岸基控制平臺與船載控制系統(tǒng)之間的信息傳輸，同時將無人船的速度、經(jīng)緯度、姿態(tài)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(tài)進(jìn)行監(jiān)控;

（5）電機控制模塊用于驅(qū)動直流電機，CPU輸出數(shù)字信號，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后變成一個電壓信號，通過調(diào)節(jié)電壓的大小來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。電機控制模塊左右各一個，用于調(diào)節(jié)航速和航向;

（6）信號隔離器，負(fù)責(zé)將工控機和電機進(jìn)行隔離，避免兩者共地，這樣電機所產(chǎn)生的干擾信號不會通過地線傳導(dǎo)到控制系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的可靠性。

3.2? ?岸基控制平臺硬件設(shè)計

岸基控制平臺的硬件設(shè)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(fā)送至船載控制系統(tǒng)。

4? ? 無人船控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1? ?船載控制系統(tǒng)軟件應(yīng)用方案

船載控制系統(tǒng)的功能，主要是實現(xiàn)無人船的航行控制。在無人船啟動階段，進(jìn)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(jīng)度、緯度及由姿態(tài)傳感器提供的偏航角、俯仰角、橫滾角等信息。根據(jù)岸基控制平臺設(shè)定的航行任務(wù)，船載控制系統(tǒng)根據(jù)本船實時航行狀態(tài)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(qū)動無人船的航行，船載控制系統(tǒng)將最新的航行狀態(tài)信息發(fā)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(tǒng)根據(jù)無人船新的航行信息進(jìn)行控制算法的解算，再給出新的航行指令，此過程一直循環(huán)到任務(wù)結(jié)束或者岸基平臺發(fā)出新指令為止。

船載控制系統(tǒng)軟件流程圖，如圖3所示。

4.2? ?姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)處理算法

姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)關(guān)系到船只航行的方向和垂直角度，所以非常重要。它內(nèi)置的處理器采集來自加速度計和磁力計的數(shù)據(jù)，對比岸基控制平臺發(fā)來的任務(wù)，根據(jù)這個誤差來計算和調(diào)節(jié)航行中的狀態(tài)偏差。

4.3? 岸基控制平臺軟件應(yīng)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(jìn)行無人船航行任務(wù)的設(shè)置、發(fā)送指令信息、接收監(jiān)控信息并做好數(shù)據(jù)記錄等;在遇到緊急情況時，岸基控制平臺還應(yīng)具備一項停止無人船運動的功能。

5? ? ?實船試驗主要參數(shù)及解算

為了驗證無人船的航向控制性能，對無人船進(jìn)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(jìn)器，兩個尾部推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速差產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，其所受旋轉(zhuǎn)力矩以及推進(jìn)力為：

設(shè)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(jié)果如圖4所示：在初始階段，無人船航向角與設(shè)定航向角差值較大，無人船的航向角可迅速調(diào)整至設(shè)定值;在隨后運行的過程中，實際航向角基本圍繞著設(shè)置值附近上下波動，其跟蹤控制的穩(wěn)態(tài)誤差不大于，基本滿足無人船路（下轉(zhuǎn)第頁）（上接第頁）

徑跟蹤控制實驗的要求。

6? ? 結(jié)論

本文搭建了一套無人船控制系統(tǒng)，并進(jìn)行詳細(xì)的軟、硬件設(shè)計，最后采用實船試驗的方式對控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果進(jìn)行了驗證：控制系統(tǒng)基本實現(xiàn)了事先設(shè)定的航向角的跟蹤控制，初步證明了控制系統(tǒng)的有效性。但本試驗為湖中預(yù)制區(qū)域試驗，試驗環(huán)境遠(yuǎn)沒有實際海洋環(huán)境惡劣，而且試驗功能相對簡單，對于系統(tǒng)在復(fù)雜海況環(huán)境下進(jìn)行復(fù)雜控制任務(wù)的性能，還有待更深入的研究。

參考文獻(xiàn)

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