渔业捕捞作业辅助遥控无人艇的研发

邵承谱++郑锐聪++毛永明

摘 要：本文介绍所研发的渔业捕捞作业遥控无人艇，是集船舶设计、智能控制、数据采集处理、通讯导航等专业技术于一体的智能化工作艇，可以在海洋环境中执行捕捞辅助作业，主要涉及到遥控无人艇的自主驾驶、路径规划与导航、动力定位，以及在一定海况下航行、作业等功能的实现。

关键词： 动力定位； 全回转； 智能控制； 渔业安全

中图分类号：U674.91 文献标志码：A

Development of Unmanned Remote-Controlled Boats for Fishery Fishing Operations

SHAO Chengpu1， ZHENG Ruicong2， MAO Yongming2

（1. Zhejiang Ocean Fishery Office，Hangzhou 310021； 2.Guanzhou HG Marine Co.， Ltd.，Guangzhou 511430）

Abstract： This paper introduces an unmanned remote-controlled boat for fishery fishing operations. As an intelligent work boat， it integrates the technologies of ship design， intelligent control， data collection and processing， communication and navigation， and it can perform auxiliary fishing operations in the Marine environment. It mainly involves the autonomous driving， path planning and navigation， dynamic positioning， and the realization of the functions of navigation and operation under certain sea conditions.

Key words：Dynamic positioning； Full swing； Intelligent control； Fishery safety

1 前言

隨着当今世界科技的智能化、无人化、系统化的发展，无人飞机（UAV）、陆地无人车（UGV）、无人机器人（AUV）和遥控无人艇（USV）等技术在军事及民用领域发挥着越来越重要的作用。遥控无人艇是依靠遥控或者自主方式在水面航行的小型化、智能化功能艇。它较之传统水面艇具有以下特点：功能模块多样化、运行作业灵活化、精确遥控定位、能耗低、效益高。为了紧跟世界先进技术发展潮流，适应现代科学技术不断进步以及人民日常工作生活的需求，研制具有自主知识产权的遥控无人艇势在必行。

2 遥控无人艇技术简介

遥控无人艇是一种复杂的智能化无人操作系统，它是集船舶设计、信息采集处理、智能运动控制等高尖技术为一体，涉及到的技术包含：自主航行系统、路线规划与导航系统、信号干扰识别过滤处理等，也可以根据客户的实际要求集成相应的特殊功能模块。当然，远距离遥控驾驶是遥控无人艇最基本、最重要的模块，并在此基础上完成其他功能模块的研发。

为了达到遥控无人艇经济实用性，首先要了解传统人工艇存在的弊病，并从传统人工艇人工成本高、安全性低、油耗大、转舵缓慢、无法完成船舶定位等缺点入手，以此为技术突破口完成遥控无人艇，其基本功能模块见图1。

3 遥控无人艇关键技术

为了更好的推进遥控无人艇项目的研发，同时保证各项功能的的质量，遥控无人艇的研发采取功能模块化分工设计，分别对每个关键技术难点进行突破，最后对所有功能模块进行技术整合汇总。

3.1 船体流体力学

遥控无人艇的船体采用流体力学算法建模设计，船体材料采用高强度玻璃钢。利用CFD程序（NICE法）进行偏航状态和回转状态的计算，并根据其计算结果进行评估。由约束模型实验获得的线性导数的变化，得出计算结果与实验结果之间的相互关系，进而以CFD计算值作为参数对船体水动力系数进行估算。通过对船体、全回转环推和水之间相互影响力，设计出相对合理的船体，有效的减小了水对船体的阻力，提高航速。

3.2混合动力系统

遥控无人艇采用100kW静音柴油发电机作为供电系统，同时配备了可充放电高容量锂电池、逆变器、双向DCDC充放电模块等元器件新型混合动力系统。整个混合动力系统由高性能单片机完成相关的柴油机和锂电池各实时参数采集处理并传送到PLC控制系统。当高速行驶或锂电池电池不足时自动切换柴油发电机供电；而当检测出柴油机油量不足或静音柴油发电机航行模式时自动切换到锂电池供电。为了满足客户需求，额外集成了市电充电模块。新型的混合动力系统在减少油耗、降低噪音以及平稳运行方面的作用尤为突出。混合动力系统见图2。

3.3自动航行控制系统

自动航行控制系统是遥控无人艇推进系统的重中之重，本艇推进电机采用了广州海工自主研发的永磁轴流同步推进电机，其具备大推力、低噪音、高效率、运行稳定等特点。为了解决传统人工艇转弯慢、运行不稳定的问题，采用高精度步进电机以及配套传动系统实现360°全回转舵功能。高分辨率舵角反馈器配合步进电机可以实现高达0.01°的转舵误差，并能快速完成艇360°全回转过程。

在实现自动航行时碰到了不少难点，如传统的模拟量舵角反馈信号精度不高、艇内部的电磁干扰严重，使得整块单片机采集处理舵角信号、通信信号的过程中因为干扰出现误差、舵角跳动导致步进电机来回晃动的现象。为了攻克这一难点，我们在单片机采集信号段设计了信号前置放大器和滤波器对信号进行过滤调理，同时做好舵角反馈器等灵敏设备的屏蔽措施，并在单片机程序算法以及PLC算法中嵌入了容错鲁棒算法，实现了稳定转舵的同时保证了舵角的精度。endprint

遥控无人艇使用的高速单片机，嵌入到机器设备、控制系统、仪器仪表、数据压缩和加密等中央处理单元，具有功耗低、可靠性强、功能强大、高性价比等特点。数据信号采集模块从全球定位系统GPS、数据罗盘获取当前艇航向、左右前后倾角等实时信息，同时接收遥控面板给定的转速、角位置信息。信号控制系统由信号放大电路、控制电路、模数转换电路、接口电路、嵌入式主板组成，将艇实时运动信息发送给PLC以便进行艇自动控制，并将数据实时压缩后发送给遥控人员。自动控制系统见图3。

3.4 定位控制系统

运动控制子系统以三菱FN系列PLC为核心，经过优化可以实现转舵及推进螺旋桨进行精度控制。嵌入式单片机传过来的遥控指令，并结合当前传感器进行参数PID控制运算，实现360°全回转控制以及航速调整的功能。它包括：航向给定环节、航向检测环节、给定航向与实际航向比较环节、航向偏差与舵角反馈比较环节。本艇内置高精度全球定位系统GPS以及高灵敏度磁罗经，通过自纠正自动导航算法完全可以实现航向保持、航向改变、航迹保存控制、自动返回控制等功能。自动舵是根据磁罗经的航向信号和制定的航向对比来控制操作系统，自动使船舶保持在制定的航向上。

定位系统是为了解决传统人工艇受风、浪影响而没法稳定在一定海域范围内作业问题而设计的。我们可以根据不同的需求嵌入风、流检测传感器等功能模块建立自适应数学模型。可以根据测量到的外部连续信息（如船舷向、转舵角、航速等）不断实时识别模型参数，进行实时有效控制尽可能保持最优状态。通过采集高精度GPS及相应的风、浪传感器进行数学模型处理，可以满足艇稳定在5-10米范围内。因为360°全回转转舵功能的存在，艇可以在位置偏离过程中经过数据优化处理，以最短路径前进或退回到指定范围内。定位控制系统见图4。

3.5运动仿真

本艇航向控制进行了大数据量的整合研究，给出了集传统PID控制和基本模糊控制优点于一身的参数自整定的模糊PD控制器的设计。艇运动特性随着航速、装载等因素变化而变化，干扰特性随着风、流、浪等海况变化而不同。常规艇控制系统不能自动适应上述因素的变化，驾驶员难以随着航行变化对PID参数进行适当的调节，所以人工驾驶小艇不可能具备良好的操作性能。为了使得研发工作更加顺利实施，出于安全性能的考虑，首先建立了该艇运动的仿真模型，再利用该仿真模型模拟无人艇在各种海况、各种速度下进行回转运动和Z型运动，并着重测试了GPS动力定位系统以及最短路径识别算法。我们在沿海地域还多次进行了艇体的升沉、横倾角、纵倾角、恶劣风浪天气试验，各项性能均符合设计要求。运动仿真图见图5。

4 遥控无人艇在灯光围网捕鱼作业上的应用

为了验证遥控无人艇的实用性，我们将其中一艘试验艇提供给渔民试用，经过多次出海试验，本艇与传统人工诱鱼作业工作艇相比具有如下优点：

（1）遥控无人艇可以设置自主航行及回收，采用全电力360°全回转推进系统，操作简单、运行和转舵稳定，可以实现1～3公里的遥控范围；

（2）遥控无人艇集成了各种技术GPS定位，能更好的完成艇的定位控制，在复杂的海况天气下照样能完成下海放灯诱鱼作业，增加了作业效益；

（3）能够取代人工艇进行下海放灯诱鱼作业，提高了安全生产，节省了人工费用，渔民可以不用驾艇下海，漁民人身安全得到保障；

（4）目前的遥控无人艇只适用于渔民灯光诱鱼，可以在此平台基础上，开发出探鱼、辅助作业、救助、运输等用途，促进渔业装备的自动化和智能化，提高作业的技术含量。

5 结束语

渔业捕捞作业辅助用遥控无人艇，融合了多种先进技术，是一款适合渔业生产的实用装备，具有成本低、安全性高、经济效益好的特点，符合了渔业安全生产和渔业高技术装备发展的趋势。

为保证遥控无人艇研发成功，广州海工船舶设备有限公司专门组织研发团队进行精心试验，在浙江台州、宁波和广东阳江等地开展了试验，并随渔船出海试用。遥控无人艇经试验试用后，发现问题及时进行研究分析，采取措施改进，取得满意效果，各项指标符合设计要求。

参考文献

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[2杨桂艳.无人驾驶遥控艇水生数据采集及运动控制系统研究与设计[M].电子科技大学硕士学位论文。 2005 .

[3]王晓波、刘谦.关于新形势下渔业生产安全的研究和思考[M]. 大连海洋大学 2012.

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