水面無(wú)人船驅(qū)動(dòng)電機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

田延飛，周欣蔚，熊 勇，牟軍敏

(1. 浙江海洋大學(xué)，船舶與海運(yùn)學(xué)院，舟山 316022；2. 內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430063；3. 武漢理工大學(xué)，航運(yùn)學(xué)院，武漢 430063)

0 引 言

近年來(lái)，隨著電子信息技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，船舶電子推進(jìn)系統(tǒng)取得了極大突破[1]。電子推進(jìn)系統(tǒng)因其空間占比小、操作性能好、自動(dòng)化程度高和維護(hù)成本低的優(yōu)勢(shì)，成為水面無(wú)人船的主要推進(jìn)系統(tǒng)[2]。一般地，研究船舶電力推進(jìn)控制系統(tǒng)的成本較高，同時(shí)也存在開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)等問(wèn)題[2-5]。船舶驅(qū)動(dòng)電機(jī)是船舶動(dòng)力來(lái)源，是電力推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成。因此，研究并設(shè)計(jì)出高效的船舶驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)在實(shí)際的工程應(yīng)用中有著重要的意義[6-7]。

目前，智能航運(yùn)是一項(xiàng)研究熱點(diǎn)。智能船舶是智能航運(yùn)的重要組成。其中，操縱控制技術(shù)是智能船舶關(guān)鍵之一。在目前智能航運(yùn)發(fā)展主題下，研究船舶驅(qū)動(dòng)電機(jī)的遠(yuǎn)程控制、智能控制，對(duì)發(fā)展智能船舶、促進(jìn)智能航運(yùn)、規(guī)避海上人員安全風(fēng)險(xiǎn)等具有重要意義。

在應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面，作為一款簡(jiǎn)單、便捷、易上手的開(kāi)源硬件產(chǎn)品[8]，Arduino因其各種優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用?；贏rduino及其支持的各種傳感器模塊、通信模塊等，能夠方便地實(shí)現(xiàn)各種功能，如數(shù)據(jù)觀測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸、本地自主控制、遠(yuǎn)程遙控、視頻監(jiān)控等[9-12]。

針對(duì)智能航運(yùn)時(shí)代背景下的船舶遠(yuǎn)程操縱與控制，本文介紹一種面向水面無(wú)人船的驅(qū)動(dòng)電機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以Arduino MEGA 2560為中央控制板，采用GPRS實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程（無(wú)線(xiàn)）通信，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的功能與目的。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)

設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)由無(wú)人船（艇）端和岸基操控端兩大部分組成。其中，無(wú)人船端由船體、無(wú)線(xiàn)通信模塊、中央控制板、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)、電源等構(gòu)成；岸基操控端主要由操縱輸入設(shè)備、中央控制板、無(wú)線(xiàn)通信模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)Fig. 1 Overall structural design of the control system

船舶驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)中央控制板采用Arduino MEGA 2 560，無(wú)線(xiàn)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(wú)人船端及岸基操控端。岸基操控端主要由操縱手柄（電機(jī)轉(zhuǎn)速）、上位機(jī)電腦等構(gòu)成?？傮w上，岸基操控端操縱手柄用于輸入操縱命令，經(jīng)無(wú)線(xiàn)通信傳輸至無(wú)人船端，進(jìn)而控制電機(jī)。同時(shí)，無(wú)人船端電機(jī)轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)經(jīng)無(wú)線(xiàn)通信反饋至岸基操控端，并在上位機(jī)電腦進(jìn)行可視化顯示（無(wú)人船運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)）。

1.2 主要硬件及作用

設(shè)計(jì)的船舶驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)中控制、通信、動(dòng)力、操縱、顯示等功能硬件主要有中央控制板、無(wú)線(xiàn)通信模塊、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)、操縱輸入與狀態(tài)顯示設(shè)備等。

1.2.1 中央控制模塊

設(shè)計(jì)的船舶驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)采用具有多個(gè)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(jiàn)文獻(xiàn)[7-8]。

無(wú)人船端，中央控制板主要用于：通過(guò)控制電平信號(hào)的高低來(lái)改變電動(dòng)船用推進(jìn)器電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，通過(guò)控制PWM值的變化來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)動(dòng)方向及運(yùn)動(dòng)速度的控制；各設(shè)備（模塊）聯(lián)動(dòng)，以實(shí)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(shè)備（模塊）聯(lián)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)信息收發(fā)功能。

1.2.2 無(wú)線(xiàn)通信模塊

設(shè)計(jì)的船舶驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)采用通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)（GPRS）技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)通信。硬件方面，本文采用USR-GM3P GPRS模塊。

1.2.3 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)

自行設(shè)計(jì)并研發(fā)出的無(wú)人船“海之靈1”采用外掛式整體型船用電動(dòng)推進(jìn)器（見(jiàn)圖2）中的直流電機(jī)及螺旋槳（圖2線(xiàn)框內(nèi)部分，2套）。電機(jī)工作電壓12 V，輸出功率約800 W。

圖2 船用電動(dòng)推進(jìn)器Fig. 2 Marine electric propeller

1.2.4 操縱輸入與狀態(tài)顯示設(shè)備

設(shè)計(jì)的船舶驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)中，岸基操控端的操縱輸入與狀態(tài)顯示設(shè)備主要由左/右轉(zhuǎn)速操縱手柄、上位機(jī)電腦等構(gòu)成?？傮w上，岸基操控端的操控命令，經(jīng)無(wú)線(xiàn)通信（由Arduino 2 560和GPRS模塊實(shí)現(xiàn)該功能）傳輸至無(wú)人船端，進(jìn)而控制電機(jī)；無(wú)人船端電機(jī)轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)經(jīng)無(wú)線(xiàn)通信反饋至岸基操控端，并在上位機(jī)電腦進(jìn)行可視化顯示。同時(shí)，上位機(jī)電腦安裝Arduino IDE，GPRS助手等，用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)、調(diào)試與配置。

2 操控方式與通信流程

設(shè)計(jì)的船舶驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)可在2種操控方式實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信與遠(yuǎn)程控制：岸基端人工操控和岸基端自動(dòng)操控。操控方式與系統(tǒng)通信流程見(jiàn)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(chē)、右車(chē)轉(zhuǎn)速的相關(guān)指令；操控指令經(jīng)Arduino模塊，GPRS模塊傳輸至無(wú)人船端，并指示電機(jī)驅(qū)動(dòng)；電機(jī)響應(yīng)，改變船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；到達(dá)操縱目的，進(jìn)入狀態(tài)保持操縱階段；未達(dá)到操縱目的，則繼續(xù)執(zhí)行上述步驟。

2）岸基端自動(dòng)操控方式通信流程

對(duì)航線(xiàn)進(jìn)行人工規(guī)劃：在岸基操控端上位機(jī)軟件中輸入目的點(diǎn)；規(guī)劃航線(xiàn)經(jīng)Arduino模塊，GPRS模塊傳輸至無(wú)人船端；無(wú)人船端進(jìn)行航線(xiàn)規(guī)劃：航向計(jì)算；無(wú)人船端基于PID計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速控制指令，并指示電機(jī)驅(qū)動(dòng)；電機(jī)響應(yīng)，改變船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；到達(dá)規(guī)劃航向，進(jìn)入狀態(tài)保持操縱階段；未達(dá)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(cè)試與驗(yàn)證

基于模型船、實(shí)際無(wú)人船“海之靈1”對(duì)設(shè)計(jì)的船舶驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試、測(cè)試，以完成系統(tǒng)研發(fā)和應(yīng)用驗(yàn)證。試驗(yàn)內(nèi)容主要包括遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)向操縱、航向保持、旋回操縱、Z型操縱等。

經(jīng)過(guò)實(shí)際無(wú)人船的測(cè)試與應(yīng)用驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的船舶驅(qū)動(dòng)電機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要達(dá)到了如下功能和效果：

1）操縱與控制

系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的控制指令，改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度及方向，實(shí)現(xiàn)無(wú)人船運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變。

2）航向保持與路徑跟蹤

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

3）無(wú)線(xiàn)通信

主要通過(guò)GPRS來(lái)實(shí)現(xiàn)操控端與無(wú)人船端的無(wú)線(xiàn)通信。

基于實(shí)際無(wú)人船的驗(yàn)證表明，本文設(shè)計(jì)的基于Arduino船舶驅(qū)動(dòng)電機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)操作方便，通信流暢，運(yùn)行穩(wěn)定，能夠用于無(wú)人船遠(yuǎn)程操縱和控制。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種面向水面無(wú)人船的驅(qū)動(dòng)電機(jī)遠(yuǎn)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(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和岸基操控端。通過(guò)遠(yuǎn)程控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)船舶前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換；通過(guò)GPRS實(shí)現(xiàn)無(wú)人船端與岸基操控端的無(wú)線(xiàn)通信。實(shí)船測(cè)試表明，系統(tǒng)操作方便，通信流場(chǎng)，運(yùn)行穩(wěn)定，能夠用于無(wú)人船遠(yuǎn)程操縱和控制。系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于設(shè)計(jì)成本低、制造周期短、可擴(kuò)展性良好。系統(tǒng)能夠?yàn)榇膀?qū)動(dòng)電機(jī)遠(yuǎn)程控制工程應(yīng)用提供參考，為無(wú)人船的發(fā)展提供支持。