面向水質(zhì)監(jiān)測的無人艇岸基控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳 卓，金建海，周則興，張 波

(中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082)

0 引言

近年來，水資源保護(hù)和環(huán)境治理得到了國家越來越多的關(guān)注，如何在保持經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí)有效地控制污染成了各國和各級政府的重要任務(wù)。在此大背景下，對河湖等水域的監(jiān)測與治理也提出了更高的要求?？紤]到內(nèi)河水環(huán)境復(fù)雜多樣，傳統(tǒng)的基于人工采樣分析和浮標(biāo)定點(diǎn)監(jiān)測為主的方法由于存在著效率低下、耗時(shí)費(fèi)力、實(shí)時(shí)性差、難于管理等缺點(diǎn)，已經(jīng)難以滿足實(shí)際的水環(huán)境監(jiān)測的需求[1-2]。隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)在全學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)的推廣應(yīng)用，以水面無人艇為代表的自動化采樣設(shè)備成為了一個(gè)重要的發(fā)展方向。

作為一種無人化水面平臺，無人艇可通過搭載傳感器及自動導(dǎo)航設(shè)備實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜水面環(huán)境下的自主航行和自動作業(yè)。相比于傳統(tǒng)的有人船舶作業(yè)方式，水面無人艇具有機(jī)動靈活、自動化程度高、續(xù)航力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地契合水質(zhì)監(jiān)測作業(yè)環(huán)境惡劣、重復(fù)性強(qiáng)、采樣時(shí)間長的作業(yè)特點(diǎn)和任務(wù)需求，可以有效地提升水質(zhì)采樣及監(jiān)測的效率和質(zhì)量[3-5]。針對無人艇在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者已廣泛地開展了相關(guān)研究工作。英國Plymouth大學(xué)MIDAS科研小組設(shè)計(jì)和開發(fā)出了雙體低速無人艇試驗(yàn)平臺“Springer”，用于污染物跟蹤及對內(nèi)陸水道和沿海水域的環(huán)境和水文調(diào)查[6]。美國海底科技公司研發(fā)了一種用于內(nèi)河、港口水域監(jiān)視偵察的新型無人水面艇CAT.Surveyo，該艇配有小型遙控潛水器，配有高清攝像頭并可選配用于渾濁水域的成像聲納[7]。日本Yamaha公司開發(fā)了UMV-O型海洋探測無人艇，主要用于海洋水文氣象環(huán)境監(jiān)測和生物化學(xué)科考任務(wù)[8]。在國內(nèi)，沈陽航空新光公司研制出的“天象一號”是我國第一艘用于工程實(shí)際的無人水面艇，該艇作為應(yīng)急裝備成功為青島奧帆賽提供氣象保障服務(wù)[9]。上海大學(xué)研制了“精?！毕盗袩o人測量艇，主要用于東海、黃海、南海、南極等海域的測量任務(wù)[10]。上海海事大學(xué)[11]開發(fā)出了一種雙體無人艇，主要用于水質(zhì)監(jiān)測、環(huán)境探測以及搜索和救助等方面的研究。總的來說，當(dāng)前的無人艇研究大多集中于關(guān)鍵技術(shù)的研究和試驗(yàn)平臺的搭建，工程應(yīng)用較少，鮮少結(jié)合具體的作業(yè)環(huán)境需求和任務(wù)流程來開展研究。

針對當(dāng)前研究中的問題，以提升水環(huán)境監(jiān)測的效率為導(dǎo)向，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種監(jiān)測無人艇及其岸基控制系統(tǒng)。構(gòu)建了基于船-岸通信結(jié)構(gòu)的無人艇軟硬件系統(tǒng)模型，結(jié)合任務(wù)使命，開展了岸基控制系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計(jì)；針對無人艇巡航采樣的關(guān)鍵問題，開展了無人艇航渡路徑規(guī)劃、區(qū)域巡航規(guī)劃及采樣任務(wù)流程研究，并在實(shí)際作業(yè)水域內(nèi)進(jìn)行了實(shí)船試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 無人艇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

按照通用的無人系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架，將監(jiān)測無人艇系統(tǒng)劃分為船載子系統(tǒng)和岸基子系統(tǒng)兩個(gè)部分，兩系統(tǒng)之間通過無線數(shù)傳電臺和4G網(wǎng)絡(luò)等遠(yuǎn)程通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互[12-13]。本文中的環(huán)境監(jiān)測無人艇系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 監(jiān)測無人艇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 船載系統(tǒng)

船載系統(tǒng)指的是無人艇艇體平臺及其搭載的軟硬件系統(tǒng)，主要包括能源動力系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、環(huán)境感知系統(tǒng)和航行決策系統(tǒng)等。無人艇平臺可根據(jù)不同的任務(wù)需求搭載不同的任務(wù)載荷單元，在本文中監(jiān)測無人艇搭載的任務(wù)載荷主要是自動化水樣采集裝置和水體在線分析儀所組成的集成系統(tǒng)。在功能方面，船載子系統(tǒng)負(fù)責(zé)對平臺上的所有傳感器、設(shè)備反饋參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過通信模塊上傳至岸基系統(tǒng)；同時(shí)，接收岸基的決策指令，執(zhí)行運(yùn)動控制，驅(qū)動無人艇按照指定的轉(zhuǎn)速和舵角航行。

1.2 岸基系統(tǒng)

岸基系統(tǒng)作為無人艇的遠(yuǎn)程監(jiān)控指揮中心，由通信模塊、遙控模塊和岸基控制計(jì)算機(jī)三部分組成，通常布置在岸基或母船上的。岸基系統(tǒng)的主要功能是對無人艇進(jìn)行實(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)視和任務(wù)控制，以確保無人艇能按照指定的任務(wù)參數(shù)安全航行和采樣作業(yè)。其中岸基控制軟件是無人艇岸基系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)無人艇的人機(jī)交互、任務(wù)規(guī)劃和運(yùn)動監(jiān)控等功能，同時(shí)還需對載荷系統(tǒng)的水樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和圖形化展示。

2 岸基控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

岸基控制系統(tǒng)是監(jiān)測無人艇進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃、作業(yè)控制和人機(jī)交互的關(guān)鍵組成部分，其實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和效率直接影響到整個(gè)無人艇控制系統(tǒng)的性能[14]。岸基控制系統(tǒng)需能夠正確接收和顯示無人艇的運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)和水質(zhì)采樣數(shù)據(jù)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫；通過無線以太網(wǎng)向無人艇船端發(fā)送航行控制和采水質(zhì)樣指令，驅(qū)動無人艇按期望的航線和航速運(yùn)動；實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人艇平臺的運(yùn)行狀態(tài)，在檢測到設(shè)備異?；蚝叫惺Э貢r(shí)向岸基操作人員發(fā)出報(bào)警信號，為無人艇在水面上的安全航行和自動化采樣作業(yè)提供保障。

根據(jù)監(jiān)測無人艇的總體功能需求，可將岸基控制系統(tǒng)劃分為4個(gè)主要的功能模塊：數(shù)據(jù)通信模塊、狀態(tài)顯示模塊、數(shù)據(jù)庫模塊和任務(wù)控制模塊。岸基控制系統(tǒng)的總體功能設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 監(jiān)測無人艇岸基控制系統(tǒng)組成

2.1 數(shù)據(jù)通信模塊

數(shù)據(jù)通信模塊負(fù)責(zé)岸基系統(tǒng)與無人艇平臺之間的數(shù)據(jù)傳輸，包括通訊協(xié)議的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)的接收處理與發(fā)送等。通信鏈路的穩(wěn)定性和可靠性是無人艇實(shí)現(xiàn)安全航行的基礎(chǔ)保障，在通信模塊的設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮數(shù)據(jù)安全性和傳輸穩(wěn)定性。

在硬件選型上，考慮到不同通信設(shè)備所具有的不同通信距離和通信頻率，本文中采用基于“無線自組網(wǎng)電臺+4G移動網(wǎng)絡(luò)”的雙模式切換通信方案，以實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用場景下的穩(wěn)定通信。在近岸5公里范圍內(nèi)，信號遮擋較多，采用較為穩(wěn)定的4G移動網(wǎng)絡(luò)通信方式；在4G網(wǎng)絡(luò)中斷或通信距離超過5公里的情況下，切換到無線數(shù)傳電臺通信模式，以確保船岸之間的穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 狀態(tài)顯示模塊

狀態(tài)顯示模塊是岸基系統(tǒng)最重要的組成部分之一，其主要功能是顯示無人艇及其搭載設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)和詳細(xì)參數(shù)，從而輔助岸基操作人員對無人艇進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和航行分析。從監(jiān)測無人艇的航行安全和任務(wù)需求出發(fā)，本文設(shè)計(jì)的顯示界面可分為以下3個(gè)部分。

1)導(dǎo)航地圖界面：導(dǎo)航界面主要顯示無人艇導(dǎo)航系統(tǒng)的相關(guān)狀態(tài)，包括無人艇的經(jīng)緯度坐標(biāo)、航速/航向、橫搖縱傾、航線、軌跡等數(shù)據(jù)。通過集成電子地圖和圖形控件對導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化展示，使得操作人員能夠直觀地獲取無人艇的航行信息。

2)狀態(tài)數(shù)據(jù)界面：顯示無人艇船端主要設(shè)備和系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，包括能源動力系統(tǒng)(發(fā)動機(jī)啟閉、油門、擋位、剩余油量、油溫等)、推進(jìn)系統(tǒng)(螺旋槳轉(zhuǎn)速、舵角等)、傳感器系統(tǒng)(雷達(dá)數(shù)據(jù)、監(jiān)控?cái)z像頭數(shù)據(jù)等)、載荷系統(tǒng)(采樣狀態(tài)、載荷A數(shù)據(jù)、載荷B數(shù)據(jù)、溶解氧數(shù)據(jù))。

3)故障報(bào)警界面：實(shí)現(xiàn)對無人艇運(yùn)動狀態(tài)和重要設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)狀態(tài)異?；虺^相應(yīng)的監(jiān)測閾值后，在界面上發(fā)出報(bào)警提醒。按照系統(tǒng)或設(shè)備的重要性，無人艇的報(bào)警狀態(tài)可分為以下幾類：燃油電量不足、推進(jìn)系統(tǒng)故障、艙室漏水報(bào)警、載荷系統(tǒng)異常及其他設(shè)備狀態(tài)異常等，各類報(bào)警信息根據(jù)緊急程度進(jìn)行優(yōu)先級排序。

2.3 數(shù)據(jù)庫模塊

針對無人艇岸基系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示的需求，在后臺建立數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對關(guān)鍵數(shù)據(jù)的存儲、查詢、分析和管理。數(shù)據(jù)庫分為航行數(shù)據(jù)庫和載荷數(shù)據(jù)庫兩類。

1)航行數(shù)據(jù)庫：實(shí)時(shí)保存無人艇作業(yè)過程中的航位、航速、航向、轉(zhuǎn)速、舵角、任務(wù)航線、雷達(dá)探測數(shù)據(jù)、故障報(bào)警數(shù)據(jù)等，用于后續(xù)對無人艇平臺的航行過程進(jìn)行運(yùn)動回放、故障分析和流程優(yōu)化。

2)載荷數(shù)據(jù)庫：存儲載荷系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)，包括采樣設(shè)備狀態(tài)、采樣時(shí)間、采樣坐標(biāo)、樣本分析結(jié)果等。載荷數(shù)據(jù)庫根據(jù)用戶的實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)記錄載荷設(shè)備的檢測結(jié)果，用于為后續(xù)的水體質(zhì)量分析和監(jiān)測治理提供共數(shù)據(jù)支撐。

2.4 任務(wù)控制模塊

岸基操作人員通過任務(wù)控制模塊實(shí)現(xiàn)對無人艇運(yùn)行狀態(tài)的控制。該模塊的主要功能分為三點(diǎn)：設(shè)備啟停、航行規(guī)劃和載荷控制。

1)設(shè)備啟停：在作業(yè)任務(wù)開始前，將無人艇平臺上的組合慣導(dǎo)、導(dǎo)航雷達(dá)、攝像頭、發(fā)動機(jī)等設(shè)備切換到上電狀態(tài)；在作業(yè)結(jié)束、無人艇返回港口后將艇上各設(shè)備進(jìn)行下電。

2)航行規(guī)劃：根據(jù)采樣任務(wù)，輸入預(yù)設(shè)的巡航采樣參數(shù)，包括采樣區(qū)域坐標(biāo)、采樣時(shí)間間隔、采樣巡航速度等。岸基系統(tǒng)根據(jù)地圖信息執(zhí)行路徑規(guī)劃，向無人艇下發(fā)航線及航行速度。

3)載荷控制：控制載荷系統(tǒng)的作業(yè)執(zhí)行過程?？刂戚d荷設(shè)備的啟閉，與船載的水質(zhì)監(jiān)測集成軟件進(jìn)行通信，設(shè)置載荷系統(tǒng)的采樣模式和采樣參數(shù)，對采樣過程進(jìn)行監(jiān)控，在發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行人工干預(yù)。

3 路徑規(guī)劃算法及任務(wù)流程設(shè)計(jì)

3.1 基于SIA*的航渡路徑規(guī)劃

根據(jù)實(shí)際的水質(zhì)采樣過程，監(jiān)測無人艇在執(zhí)行巡航采樣前，首先需從港口出發(fā)前往任務(wù)水域；在采樣完成后，需返回港口靠泊；這一航行過程稱為航渡。在航渡階段，針對港口附近水域離岸線較近且障礙物眾多的特點(diǎn)，本文提出了一種引入安全性考慮的改進(jìn)A*算法(SIA*，safety improved A*)。

3.1.1 標(biāo)準(zhǔn)A*算法原理

標(biāo)準(zhǔn)A*算法是一種基于網(wǎng)格地圖的啟發(fā)式圖搜索算法，由Dijkstra算法發(fā)展而來[15]。不同于Dijkstra算法廣度優(yōu)先遍歷的搜索策略，標(biāo)準(zhǔn)A*算法引入了啟發(fā)值和代價(jià)函數(shù)來引導(dǎo)算法的搜索過程。代價(jià)函數(shù)由兩部分組成，其一般形式為：

f(n)=g(n)+h(n)

(1)

其中:g(n)表示起始節(jié)點(diǎn)到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)n的耗費(fèi)代價(jià)，即已經(jīng)走過的實(shí)際距離代價(jià)，一般采用其父節(jié)點(diǎn)的值g(n-1)加上父節(jié)點(diǎn)到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的距離來計(jì)算。h(n)是啟發(fā)函數(shù)值，表示從當(dāng)前節(jié)點(diǎn)n到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的可能距離代價(jià)，在實(shí)際應(yīng)用中一般取兩點(diǎn)之間的歐式距離或曼哈頓距離。A*算法在每次迭代中均選擇代價(jià)函數(shù)值f(n)最小的相鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行拓展，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對最短路徑的搜索。

標(biāo)準(zhǔn)A*算法在最短路徑搜索上具有快速性優(yōu)勢，但是在實(shí)際應(yīng)用時(shí)還存在以下兩大缺點(diǎn)：1)A*路徑是理論最短路徑，而不是最優(yōu)路徑，路徑點(diǎn)總是距離障礙物很近，安全性較差；2)難以擺脫柵格模型的限制，路徑存在彎折多、路徑點(diǎn)冗余的問題[16]。

3.1.2 算法改進(jìn)策略

針對標(biāo)準(zhǔn)A*算法的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了以下兩種策略對其進(jìn)行改進(jìn)，以適應(yīng)無人艇航渡規(guī)劃的實(shí)際需求。

1)引入障礙距離的代價(jià)值函數(shù)：考慮到標(biāo)準(zhǔn)A*算法中缺乏對路徑安全性的考慮，在啟發(fā)函數(shù)中引入了障礙距離函數(shù)O(n)，用以評估環(huán)境障礙物對路徑搜索過程的影響，進(jìn)而提高路徑的安全性。

f′(n)=α·f(n)+β·O(n)

(2)

式中，左項(xiàng)f′(n)為新的啟發(fā)函數(shù)；f(n)為標(biāo)準(zhǔn)A*算法中的啟發(fā)函數(shù)，表示路徑長度對搜索過程的影響；O(n)為障礙距離函數(shù)，通過引入該項(xiàng)可以在路徑搜索時(shí)對路徑的安全性進(jìn)行考慮；參數(shù)α和β分別表示路徑長度和安全性所占的權(quán)重，且有α+β=1。

障礙距離函數(shù)O(n)可通過規(guī)劃空間中任一網(wǎng)格n到環(huán)境障礙的最小距離進(jìn)行計(jì)算，即：

O(n)=minDist(n，{Obstacle(i)})

(3)

其中:{Obstacle(i)}表示所有障礙點(diǎn)的集合。

2)路徑光滑處理：考慮到無人艇是一種具有欠驅(qū)動、非全向運(yùn)動的水面船舶，其轉(zhuǎn)彎能力十分有限，標(biāo)準(zhǔn)A*算法得到的路徑通常無法被精確跟蹤，這將造成航行過程的不穩(wěn)定和可能的安全隱患。因此，一種有效的方法是對A*路徑進(jìn)行光滑和優(yōu)化處理，合并和削減路徑點(diǎn)數(shù)量，以使其滿足無人艇的運(yùn)動要求。

本文采用以下兩種方式對規(guī)劃路徑進(jìn)行優(yōu)化處理：(1)刪除共線的路徑點(diǎn)。若相鄰的3個(gè)路徑點(diǎn)處于同一條直線，則刪掉中間一點(diǎn)；(2)根據(jù)連通性刪除冗余點(diǎn)。在路徑上任取兩點(diǎn)，若兩點(diǎn)之間的連線與障礙物的最小距離滿足設(shè)定的安全閾值H，則去掉中間點(diǎn)。利用以上方式對路徑進(jìn)行迭代優(yōu)化，能夠有效削減路徑點(diǎn)的數(shù)量，同時(shí)保證路徑的完整性和安全性。

圖3 路徑點(diǎn)優(yōu)化策略

3.1.3 算法描述

本文改進(jìn)A*算法的具體步驟如下：

步驟1：新建兩個(gè)表CLOSED和OPEN，并進(jìn)行初始化。表OPEN存放等待考察的節(jié)點(diǎn)集合，表CLOSED存放已考察過的節(jié)點(diǎn)集合。

步驟2：將初始節(jié)點(diǎn)s添加到新建的OPEN表。

步驟3：如果OPEN表為空則表示規(guī)劃失敗退出算法，否則選擇OPEN表中代價(jià)值最小的節(jié)點(diǎn)作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)n。

步驟4：從OPEN表中將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)n移入CLOSED表。如果n是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，那么提示找到目標(biāo)點(diǎn)，轉(zhuǎn)到步驟6，否則轉(zhuǎn)到步驟5。

步驟5： 擴(kuò)展當(dāng)前節(jié)點(diǎn)n到其相鄰節(jié)點(diǎn)，考察的所有的相鄰節(jié)點(diǎn){mi}：

2)如果節(jié)點(diǎn)m不在OPEN表中并且不在CLOSED表中，將其加入OPEN表，令節(jié)點(diǎn)n作為節(jié)點(diǎn)m的父節(jié)點(diǎn)，計(jì)算其代價(jià)值，即：g(m)=g(n)+g(n，m)，f′(m)=α(g(m)+h(m))+βO(m)；

3)回到步驟3；

步驟6：在OPEN表中找到節(jié)點(diǎn)n的父節(jié)點(diǎn)，依次反向回溯，直到到達(dá)初始節(jié)點(diǎn)s，該條路徑即為最短路徑。

步驟7： 對路徑的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行迭代光滑處理：從第一個(gè)路徑點(diǎn)開始，依次取3個(gè)相鄰點(diǎn)，判斷三點(diǎn)是否共線，如果共線，去掉中間路徑點(diǎn)；在路徑上任意取兩個(gè)點(diǎn)，若兩點(diǎn)連線與障礙物的最小距離滿足要求則去掉中間點(diǎn)。

步驟8： 輸出優(yōu)化后路徑，算法結(jié)束。

3.2 基于Boustrophedon算法的巡航路徑規(guī)劃

無人艇在任務(wù)水域的巡航規(guī)劃本質(zhì)上屬于一種全覆蓋式路徑規(guī)劃問題?？紤]到安全性和采樣效率，無人艇的巡航規(guī)劃應(yīng)滿足3個(gè)基本條件：1)為保證樣本的空間覆蓋率，無人艇路徑盡可能地遍歷整個(gè)非障礙區(qū)域；2)在航行過程避免與局部障礙物的碰撞；3)盡可能減少重復(fù)率，提高作業(yè)效率。本文設(shè)計(jì)了一種基于梳狀遍歷搜索策略的巡航路徑規(guī)劃方法。

無人艇的巡航路徑規(guī)劃與清掃機(jī)器人的區(qū)域覆蓋算法類似。區(qū)域覆蓋算法的目標(biāo)是為機(jī)器人設(shè)計(jì)一種策略，使得其能以某種特定的模式遍歷一個(gè)指定的目標(biāo)區(qū)域，并盡可能地做到高效和完全遍歷。目前主要的覆蓋算法有隨機(jī)覆蓋法、單元分解法、ISC(內(nèi)螺旋)覆蓋算法、Boustrophedon算法等。Boustrophedon算法又稱為牛耕式算法，是一種基于往返式搜索策略的覆蓋算法。應(yīng)用Boustrophedon算法時(shí)，無人艇先朝著一個(gè)方向航行，直到遇到障礙物或區(qū)域邊界后垂直轉(zhuǎn)向，然后沿著與前一航向相反的方向航行。

圖4 Boustrophedon巡航路徑規(guī)劃

在一般情況下，岸基操作人員為了保證設(shè)備的安全性，會選擇開闊、無障礙物的水域作為水質(zhì)采樣的目標(biāo)區(qū)域，因此以下考慮一種無障礙物情況下的巡航路徑計(jì)算過程。記無人艇的巡航起點(diǎn)坐標(biāo)為(xs，ys)，終點(diǎn)坐標(biāo)為(xE，yE)，往復(fù)次數(shù)為N，則巡航間距為ΔL=(yS-yE)/N。則第i個(gè)路徑點(diǎn)CPi的坐標(biāo)可根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

(4)

其中:t為一中間變量，其值與路徑點(diǎn)序號有關(guān)：

(5)

3.3 采樣作業(yè)流程設(shè)計(jì)

結(jié)合實(shí)際的水質(zhì)采樣流程和岸基系統(tǒng)的功能框架，設(shè)計(jì)監(jiān)測無人艇的采樣任務(wù)作業(yè)流程如下：

1)根據(jù)采樣任務(wù)的目標(biāo)和地圖環(huán)境信息，設(shè)定無人艇的監(jiān)測任務(wù)參數(shù)，包括出港起點(diǎn)坐標(biāo)P、巡航起點(diǎn)坐標(biāo)SP、巡航終點(diǎn)坐標(biāo)EP和巡航速度；

2)利用SIA*算法計(jì)算航渡出港路徑，將路徑點(diǎn)優(yōu)化處理，并下發(fā)到無人艇；

3)發(fā)送航渡階段的航行速度，無人艇接收指令并執(zhí)行路徑；監(jiān)控?zé)o人艇航位，直到到達(dá)目標(biāo)水域；

4)岸基系統(tǒng)接收并確認(rèn)無人艇位置，利用Boustrophedon覆蓋算法計(jì)算巡航路線，下發(fā)作業(yè)航速和航線；

5)無人艇接收并執(zhí)行區(qū)域巡航指令，啟動路徑跟蹤和水質(zhì)采樣任務(wù)，直到巡航結(jié)束，到達(dá)終點(diǎn)；

6)岸基系統(tǒng)以無人艇利用SIA*計(jì)算航渡返港路徑并下發(fā)；

7)無人艇接收航線指令并跟蹤航線，直到到達(dá)港口水域，任務(wù)完成。

圖5 監(jiān)測無人艇采樣作業(yè)流程

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了對監(jiān)測無人艇控制系統(tǒng)的有效性進(jìn)行分析，在江蘇某水域內(nèi)進(jìn)行了湖上試驗(yàn)。

設(shè)計(jì)和開發(fā)了基于C++/Qt的無人艇岸基控制系統(tǒng)軟件，軟件界面如圖6所示。根據(jù)實(shí)際的作業(yè)任務(wù)流程，在同一水域進(jìn)行了多次監(jiān)測航行試驗(yàn)。試驗(yàn)中的任務(wù)參數(shù)和地圖環(huán)境如圖中標(biāo)記所示，其中標(biāo)記點(diǎn)P代表出港起點(diǎn)(也是返港終點(diǎn))，標(biāo)記點(diǎn)SP和EP分別為監(jiān)測任務(wù)區(qū)域的巡航起點(diǎn)和終點(diǎn)，位于帶采樣區(qū)域的兩個(gè)對角點(diǎn)位置。詳細(xì)的試驗(yàn)坐標(biāo)參數(shù)和算法設(shè)置參數(shù)如表1所示。

圖6 監(jiān)測無人艇岸基軟件界面及任務(wù)參數(shù)

表1 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，其中圖7(a)為試驗(yàn)所用的監(jiān)測無人艇，圖7(b)、7(c)、7(d)為無人艇出港、巡航及返港的全任務(wù)流程航行結(jié)果，無人艇的路徑跟蹤過程采用經(jīng)典的PID航向控制方法[17]。

圖7 無人艇試驗(yàn)結(jié)果

表2 試驗(yàn)結(jié)果分析

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：1)在出港和返港的航渡過程中，相比于標(biāo)準(zhǔn)A*算法，基于SIA*的路徑規(guī)劃方法所得到的路徑較好地實(shí)現(xiàn)了對沿岸障礙物的規(guī)避，安全距離增加約182%；2)SIA*對冗余路徑點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化，路徑點(diǎn)數(shù)量減少約136%；3)在巡航采樣過程中，基于Boustrophedon遍歷的搜索方式實(shí)現(xiàn)了對任務(wù)水域的全覆蓋，能夠保證無人艇的正常采樣作業(yè)；4)從航行軌跡可以看出，無人艇的實(shí)際航跡與所規(guī)劃的路徑之間平均偏差較小，基本處于重合狀態(tài)，只在路徑轉(zhuǎn)彎處稍有偏離。這表明基于本文方法所規(guī)劃的路徑具有較好的跟隨效果，能夠滿足無人艇的實(shí)際作業(yè)要求。在多次的采樣任務(wù)中，無人艇均能可靠地完成整個(gè)采樣作業(yè)流程，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的安全性和有效性。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種面向環(huán)境監(jiān)測任務(wù)的無人艇岸基控制系統(tǒng)，依托現(xiàn)有的系統(tǒng)組成框架，搭建無人艇岸基控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)，開展了監(jiān)測無人艇路徑規(guī)劃算法和任務(wù)流程的研究，提出了基于改進(jìn)A*的安全航線規(guī)劃方法和區(qū)域巡航算法。在實(shí)際作業(yè)水域內(nèi)進(jìn)行了實(shí)船試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該無人艇岸基控制系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和可靠性，能夠指導(dǎo)無人艇安全、智能地執(zhí)行水質(zhì)監(jiān)測任務(wù)，有效地提升水環(huán)境監(jiān)測的效率。