对无人船控制系统的初步研究及应用

张桂军 冯凯 吕锦钊 陈文林

摘    要：本文研究了无人船控制系统的硬件及软件设计，给出了硬件系统的组成结构，提出了软件设计的流程，并进行了无人船控制系统的软件开发。控制系统硬件平台以PC104为核心，主要组件有控制器、通讯模块、各种传感器等;软件平台则是在DOS系统的基础上进行开发;最后进行了无人船的实船试验，结果表明，该控制系统能实现对无人船的有效控制。

关键词：无人船;控制系统;实船试验

中图分类号：U666.1                                文献标识码：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

随着海洋开发的逐步深入，人们对无人船的认识和需求都在不断加强。无人船是一种具有自主航行能力，可自主实现环境感知、目标探测等任务的智能化水面机器人[1-2]。无人船在军事领域已经得到了实际应用，“斯巴达侦查兵”等无人船已正式加入美国作战部队序列，开始接受战争的考验。无人船已被公认是未来战争中争夺信息优势、实施精确打击、完成特殊作战任务的重要手段之一，在未来信息化的战场中将发挥重要作用。此外，无人船在恶劣海况下搜救、海底地形探测等方面也有着巨大的实用价值，可代替人们在水面完成危险、繁重的任务，因此无人船受到越来越广泛的关注[3]。

无人船正由半自动化逐渐向智能化发展[4]。我国的无人船控制技术还有很大的提升空间，许多关键领域的难题还有待攻克[5]，其控制系统的性能优劣将直接影响到无人船的功能能否顺利实现。本文在已有的船模和推进器的基础上，设计了一套无人船的控制系统，初步实现了无人船控制系统的顺利运行。

2    无人船控制系统简介

2.1   控制系统的组成

无人船的控制系统分为岸基控制平台和船载控制系统两部分：船载控制系统以PC104为硬件平台，软件平台则是采用DOS系统。主要硬件组件，由控制器、GPS接收机、姿态传感器、无线串口通讯模块以及推力电机等组成;岸基控制平台，则是以PC为硬件平台，以VisualC++为开发控制界面。

2.2   控制过程

无人船的控制过程分为两个阶段：第一阶段是系统初始化，装载任务参数;第二阶段则是任务执行阶段。在初始化阶段，岸基控制平台设定相关的航行任务及控制参数，參数装载完成后由岸基控制平台发送相关指令;船载控制系统接收到航行指令及参数后，控制器解算控制指令，随即进入任务执行阶段。

船载控制系统开始周期性地采集GPS以及姿态传感器的相关信息，并上传至船载控制系统对相关信息进行处理;然后将处理得到的速度、位置、姿态等信息传送至控制器;控制器将接收到的航行信息输入到航行任务的控制算法中，控制系统完成控制参数的解算后将新的控制参数发送至船载控制系统，船载控制系统根据接收到的最新控制指令控制无人船的运行;上述过程在无人船执行任务的运行过程中不断循环，并保持到航行任务结束或者接收到岸基控制平台的停止运行的指令为止。无人船控制系统的组成图，如图1所示。

3    无人船控制系统硬件设计

3.1   船载控制系统硬件设计

根据试验项目的不同，船载控制系统的硬件可进行适当的增减。本文研究的无人船旨在搭建一个实验平台，初步进行无人船航向及速度的控制。系统的硬件设备主要包括：PC104工控机、姿态传感器、GPS接收机、无线串口通讯模块以及电机控制模块等，其硬件结构原理图如图2所示。

（1）PC104工控机，主要由下列几部分组成：CPU模块、数据采集模块及串口扩展模块。CPU模块通过总线与其它模块进行信息交流，用于处理传感器数据及进行航行控制管理等;串口扩展模块扩展了四个串口，选择其中的1个串口用于采集姿态传感器信息;数据采集模块选其中的一个I/O口和两个D/A口，分别用作继电器控制信号和电机控制信号的输出;

（2）GPS主要是为船载控制系统提供船的实时经度、速度、纬度等信息，其自主定位精度不小于1m;

（3）姿态传感器，实际是一个微型的测量航向和姿态的系统，它由磁力计和加速度计组成。磁力计能够测出船只航行的方向;加速度计能够测出与重力的夹角，从而计算出船只的姿态。

传感器内置的处理器，功耗极低，航向角输出值没有漂移，同时提供的角速度、三轴加速度以及磁场强度等都经过内部校准，它为船载控制系统实时提供船的航向角、俯仰角、横滚角等姿态信息;

（4）无线通讯模块，使用Lora无线通信技术，通信距离远、误码率低、可靠性高，负责岸基控制平台与船载控制系统之间的信息传输，同时将无人船的速度、经纬度、姿态等信息反馈给岸基控制平台，以便于岸基控制平台对无人船的实时航行状态进行监控;

（5）电机控制模块用于驱动直流电机，CPU输出数字信号，经过数模转换后变成一个电压信号，通过调节电压的大小来调节电机的转速。电机控制模块左右各一个，用于调节航速和航向;

（6）信号隔离器，负责将工控机和电机进行隔离，避免两者共地，这样电机所产生的干扰信号不会通过地线传导到控制系统，增加了系统的可靠性。

3.2   岸基控制平台硬件设计

岸基控制平台的硬件设备，主要由PC机和无线通讯模块两部分组成：PC机主要用于运行无人船的控制软件，将控制信息通过专用无线通讯模块发送至船载控制系统。

4    无人船控制系统软件设计

4.1   船载控制系统软件应用方案

船载控制系统的功能，主要是实现无人船的航行控制。在无人船启动阶段，进行硬件接口和软件接口的初始化;开始航行后，分别读取由GPS提供的无人船的速度、经度、纬度及由姿态传感器提供的偏航角、俯仰角、横滚角等信息。根据岸基控制平台设定的航行任务，船载控制系统根据本船实时航行状态给出新的控制指令，通过采集板输出电机控制D/A和I/O信号来驱动无人船的航行，船载控制系统将最新的航行状态信息发送至岸基控制平台，便于岸上人员及时了解无人船的运行状况;同时，船载控制系统根据无人船新的航行信息进行控制算法的解算，再给出新的航行指令，此过程一直循环到任务结束或者岸基平台发出新指令为止。

船载控制系统软件流程图，如图3所示。

4.2   姿态传感器数据处理算法

姿态传感器数据关系到船只航行的方向和垂直角度，所以非常重要。它内置的处理器采集来自加速度计和磁力计的数据，对比岸基控制平台发来的任务，根据这个误差来计算和调节航行中的状态偏差。

4.3  岸基控制平台软件应用方案

岸基控制平台的硬件主要是PC机和无线通讯模块，其主要功能是进行无人船航行任务的设置、发送指令信息、接收监控信息并做好数据记录等;在遇到紧急情况时，岸基控制平台还应具备一项停止无人船运动的功能。

5     实船试验主要参数及解算

为了验证无人船的航向控制性能，对无人船进行航向角跟踪控制试验。无人船在船尾安装两个电动螺旋桨推进器，两个尾部推进器的转速差产生旋转力矩，其所受旋转力矩以及推进力为：

设定航向为正北方向（即航向角为），取无人船初始的航向角为，实验结果如图4所示：在初始阶段，无人船航向角与设定航向角差值较大，无人船的航向角可迅速调整至设定值;在随后运行的过程中，实际航向角基本围绕着设置值附近上下波动，其跟踪控制的稳态误差不大于，基本满足无人船路（下转第页）（上接第页）

径跟踪控制实验的要求。

6    结论

本文搭建了一套无人船控制系统，并进行详细的软、硬件设计，最后采用实船试验的方式对控制系统的应用效果进行了验证：控制系统基本实现了事先设定的航向角的跟踪控制，初步证明了控制系统的有效性。但本试验为湖中预制区域试验，试验环境远没有实际海洋环境恶劣，而且试验功能相对简单，对于系统在复杂海况环境下进行复杂控制任务的性能，还有待更深入的研究。

參考文献

[1]石 祥.水面无人船控制系统设计与研究[D].上海海洋大学，2015.

[2]何 萍.全球海战机器人[M].北京：解放军出版社，2012.

[3]张树凯，刘正江，张显库，等.无人船艇的发展及展望[J].世界海运，2015，38（9）：29-36.

[4]曹娟，王雪松.国内外无人船发展现状及未来前景[J].北京：中国船检，2018，（5）：94-97.

[5]佟科斌.水质采样无人船控制系统设计[D].海南大学，2017.