陳 霄，劉 忠，董 蛟，張建強(qiáng)

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，武漢 430000）

0 引言

無(wú)人水面艇（USV，Unmanned Surface Vehicle）作為一種小型水面智能任務(wù)平臺(tái)，具有體積小、成本低、高速智能、雷達(dá)反射面積小、無(wú)人員傷亡等優(yōu)勢(shì)[1-2]。近年來(lái)，隨著現(xiàn)代智能控制技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)、數(shù)據(jù)鏈技術(shù)、傳感器等技術(shù)的進(jìn)步，以及世界各國(guó)對(duì)海洋權(quán)益的要求日益強(qiáng)烈，USV在國(guó)內(nèi)外呈現(xiàn)井噴式發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域[3-4]。

無(wú)人艇作為水面航行器，航行的安全性及可靠性是保證其任務(wù)順利執(zhí)行的首要保障。無(wú)人艇在復(fù)雜海況下執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中可能會(huì)遇到諸多緊急情況，包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障、動(dòng)力系統(tǒng)故障、艇載任務(wù)載荷及傳感器故障、通信干擾甚至中斷等。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于無(wú)人艇航行安全控制系統(tǒng)的文獻(xiàn)較少，主要措施是通過(guò)提高艇載設(shè)備的可靠性、綜合應(yīng)用冗余備份、故障診斷及數(shù)據(jù)融合等技術(shù)來(lái)提高無(wú)人艇的安全航行性能[5-6]。但是由于設(shè)備成本控制、安裝空間受限以及技術(shù)途徑有限等多重因素影響，現(xiàn)有提高無(wú)人艇航行可靠性的措施難以解決部分故障帶來(lái)的重大損失，因此，分析無(wú)人艇航行過(guò)程中的主要安全隱患，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇航行安全控制系統(tǒng)，對(duì)確保復(fù)雜海況下無(wú)人艇各項(xiàng)任務(wù)的順利執(zhí)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 無(wú)人艇航行主要安全隱患

本文研究對(duì)象主要是用于武器系統(tǒng)試驗(yàn)及訓(xùn)練任務(wù)，結(jié)合無(wú)人艇的應(yīng)用情況，重點(diǎn)分析解決以下幾種典型航行情況下的安全問(wèn)題。

1.1 大航程航行

無(wú)人艇在大航程航行任務(wù)過(guò)程中，若出現(xiàn)遙測(cè)控系統(tǒng)鏈路干擾甚至中斷、艇載設(shè)備機(jī)械或電氣故障等情況，則很有可能失去控制而航行出預(yù)定航區(qū)，造成安全隱患。由于該無(wú)人艇航程較遠(yuǎn)，地面指揮中心實(shí)時(shí)判斷故障的難度較大，無(wú)法準(zhǔn)確判斷無(wú)人艇的最后位置，如若航行出國(guó)境線則有可能引發(fā)政治問(wèn)題。

1.2 高速小捷徑供靶航行

在武器系統(tǒng)試驗(yàn)中，近距離高速小捷徑甚至零捷徑供靶已成為今后需要大量實(shí)施的試驗(yàn)項(xiàng)目。由于武器系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)和無(wú)人艇的距離非常近，一旦航行偏差超出允許范圍或者無(wú)人艇失控，則很有可能發(fā)生撞擊事故。

1.3 被擊傷仍能航行

無(wú)人艇為武器平臺(tái)供靶試驗(yàn)或打靶訓(xùn)練過(guò)程中，被擊傷后情況復(fù)雜，可能會(huì)導(dǎo)致其預(yù)定航線的改變，若此時(shí)遙測(cè)控鏈路及導(dǎo)航等設(shè)備失效，而航行控制系統(tǒng)仍能控制其繼續(xù)航行，這時(shí)無(wú)人艇既不能按預(yù)定航線航行至指定區(qū)域，又不能通過(guò)基站遙控等方式控制，只能眼睜睜地看著它帶來(lái)?yè)p失。

2 無(wú)人艇航行安全技術(shù)

提高無(wú)人艇航行控制系統(tǒng)可靠性，保障航行安全的技術(shù)措施主要分為以下幾類：

1）提高無(wú)人艇艇載硬件設(shè)備、軟件系統(tǒng)的可靠性。例如，采用余度技術(shù)，對(duì)艇載關(guān)鍵部件冗余備份，來(lái)保證系統(tǒng)的高可靠性[7]。目前由于艇載空間限制、成本控制等多種因素，特別是在消耗類、低成本無(wú)人艇上，受制因素較多，效果有限。

2）故障檢測(cè)、監(jiān)控與隔離技術(shù)。主要分為任務(wù)準(zhǔn)備和海上航行兩個(gè)階段。在任務(wù)準(zhǔn)備過(guò)程中，利用航行無(wú)實(shí)物及半實(shí)物仿真技術(shù)等來(lái)模擬任務(wù)的整個(gè)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)故障的判斷和預(yù)測(cè)；在海上航行過(guò)程中，利用艇載導(dǎo)航設(shè)備、通信設(shè)備、各類傳感器等艇載設(shè)備構(gòu)建無(wú)人艇故障診斷系統(tǒng)，在地面指揮控制系統(tǒng)的輔助下，采取自主和人工相結(jié)合的方式實(shí)時(shí)解決航行中出現(xiàn)的故障。但是由于艇載設(shè)備數(shù)量較多、環(huán)境復(fù)雜，在無(wú)人艇航行過(guò)程中，故障模型很難構(gòu)建，導(dǎo)致故障監(jiān)控與隔離實(shí)現(xiàn)難度較大[8-9]。

3）安全防護(hù)技術(shù)。無(wú)人艇采取的防護(hù)措施主要包括設(shè)備安裝布置和重要部件防護(hù)。設(shè)備安裝布置指的是將關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵線纜布置在不易受到破壞的位置；重要部件防護(hù)主要指防雷電、電磁干擾等技術(shù)手段，即通過(guò)將關(guān)鍵的設(shè)備、線纜等封裝隔離，避免受到其他艇載設(shè)備和線纜以及外部環(huán)境的電磁干擾。防雷電和電磁干擾可通過(guò)地面試驗(yàn)和測(cè)試來(lái)檢驗(yàn)和提高防護(hù)等級(jí)。此外，還可利用光纖電傳技術(shù)，隔離各通道間的電磁干擾[10]。但是，無(wú)人艇在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中受到自身設(shè)備故障和復(fù)雜海洋環(huán)境干擾（雷電、風(fēng)浪流、海雜波等）的影響，盡管通過(guò)采取上述技術(shù)組合可以提高無(wú)人艇航行控制系統(tǒng)的可靠性，但都是有限的，不能確保絕對(duì)的安全性[11-14]。為了確保無(wú)人艇高效可靠地執(zhí)行各種航行任務(wù)，除了采用上述技術(shù)提高航行安全以外，需解決無(wú)人水面艇極端狀況下出現(xiàn)的安全隱患，尤其要解決無(wú)人艇在失去控制的情況下，航行出安全區(qū)域給地面及海上目標(biāo)帶來(lái)的威脅這一問(wèn)題。

3 安全控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)組成

無(wú)人艇航行安全控制系統(tǒng)包括艇載安控器、地面安控設(shè)備以及仿真測(cè)試系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)組成框圖如下頁(yè)圖1所示。

圖1 無(wú)人艇航行安全控制系統(tǒng)組成

3.2 工作原理

該系統(tǒng)與無(wú)人艇其他艇載設(shè)備進(jìn)行信息交互，通過(guò)獲取導(dǎo)航數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)判斷無(wú)人艇是否超出安全區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)艇上完全自主式安全控制和“人在回路”的地面被動(dòng)安全控制兩種安控方式。根據(jù)航行過(guò)程中出現(xiàn)的不同狀況，系統(tǒng)采取其中一種或兩種同步執(zhí)行的安控方式來(lái)消除安全隱患。

3.2.1 艇上自主安控方式

艇上自主安控方式指的是在無(wú)人艇航行過(guò)程中，由艇載安控設(shè)備和其他艇載設(shè)備如航行控制與管理計(jì)算機(jī)、艇載電氣系統(tǒng)等按照預(yù)設(shè)的控制策略對(duì)無(wú)人艇的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控和判斷，當(dāng)滿足預(yù)定條件時(shí)，無(wú)需地面指揮員參與，自主執(zhí)行預(yù)設(shè)的安全控制指令，消除潛在安全隱患。工作原理如圖2所示。

圖2 艇載自主安控方式工作原理圖

3.2.2 地面被動(dòng)安控方式

地面被動(dòng)安控方式指在無(wú)人艇航行過(guò)程中，由機(jī)載安控器、地面測(cè)控中心、地面安控設(shè)備以及指揮員構(gòu)成一套人在回路的被動(dòng)安控體系。地面指揮員對(duì)無(wú)人艇航行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)控和判斷，當(dāng)無(wú)人艇出現(xiàn)異常情況時(shí)，根據(jù)預(yù)定的策略，操作地面設(shè)備發(fā)送指令至艇載安全控制器，控制無(wú)人艇執(zhí)行預(yù)定的動(dòng)作，以保證無(wú)人艇及航區(qū)內(nèi)重點(diǎn)目標(biāo)的安全。工作原理如圖3所示。

圖3 地面被動(dòng)安控方式工作原理圖

3.3 安控執(zhí)行策略

3.3.1 關(guān)鍵概念說(shuō)明

可航區(qū)：根據(jù)任務(wù)要求、任務(wù)海域及無(wú)人艇最大航程限制，無(wú)人艇的可航行區(qū)域；

預(yù)設(shè)航線：無(wú)人艇執(zhí)行任務(wù)前預(yù)先規(guī)劃并下載至艇載航行控制計(jì)算機(jī)的期望航線；

安控判斷線：執(zhí)行任務(wù)前，由指揮員在基站控制系統(tǒng)上預(yù)先設(shè)定、并下載至艇載在安控計(jì)算機(jī)由經(jīng)緯度數(shù)據(jù)確定的位置點(diǎn)組成的封閉區(qū)域曲線；

安控預(yù)警線：安控判斷線確定后，艇載安控器自動(dòng)生成一條封閉的向內(nèi)沿徑向距離為100 m（根據(jù)不同無(wú)人艇的自身性能而定）的封閉區(qū)域曲線。

圖4 安控概念示意圖

3.3.2 執(zhí)行策略

無(wú)人艇若出現(xiàn)通信鏈路中斷無(wú)法執(zhí)行地面指揮中心控制指令、導(dǎo)航系統(tǒng)失效、舵機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)卡死等情況，導(dǎo)致無(wú)人艇完全失控，很有可能造成重大損失，因此，有必要在無(wú)人艇執(zhí)行任務(wù)前，制定詳細(xì)而周密的安全控制執(zhí)行策略，消除安全隱患、確保任務(wù)的順利完成。

安控執(zhí)行以自主安控為主、被動(dòng)安控為輔。具體流程如下頁(yè)圖5所示。

圖5 安控策略執(zhí)行流程圖

指揮員根據(jù)特定任務(wù)要求，規(guī)劃出無(wú)人艇的期望航行路徑并設(shè)定航行中需要在特定地點(diǎn)執(zhí)行的任務(wù)序列；根據(jù)期望航行路徑和特定海域的具體情況繪制安控判斷線并下載至無(wú)人艇航行控制計(jì)算機(jī)；根據(jù)設(shè)定好的安控判斷線，艇載安控器自動(dòng)生成安控預(yù)警線；艇載安控器實(shí)時(shí)獲取導(dǎo)航系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，并且間隔2 s周期性地對(duì)無(wú)人艇的位置進(jìn)行判斷，判斷無(wú)人艇是否在安控預(yù)警線和安控判斷線以內(nèi)，當(dāng)無(wú)人艇“撞擊”安控預(yù)警線時(shí)，艇載安控器將會(huì)向艇載航行控制計(jì)算機(jī)發(fā)送速度控制指令，將無(wú)人艇速度降到怠速，同時(shí)通過(guò)無(wú)線通信鏈路向地面安控設(shè)備發(fā)送報(bào)警信息；當(dāng)無(wú)人艇“撞擊”安控判斷線時(shí)，艇載安控器將向無(wú)人艇動(dòng)力控制系統(tǒng)發(fā)出熄火控制命令，并通過(guò)北斗自報(bào)位子系統(tǒng)周期性地將自己的實(shí)時(shí)位置通過(guò)衛(wèi)星鏈路發(fā)送給指揮中心，同時(shí)向地面安控設(shè)備發(fā)送報(bào)警信息；指揮員接到報(bào)警信息且停用安全航行區(qū)域控制功能后，可向無(wú)人艇下達(dá)點(diǎn)火及航行控制命令，若單次命令下達(dá)2 min內(nèi)不執(zhí)行且反復(fù)3次無(wú)反應(yīng)則判定無(wú)人艇失控。這時(shí)艇載安控器控制發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，自主執(zhí)行定點(diǎn)位控或應(yīng)急回收命令，即使動(dòng)力系統(tǒng)損壞導(dǎo)致無(wú)人艇無(wú)法點(diǎn)火繼續(xù)航行，但此時(shí)無(wú)人艇處于熄火狀態(tài)，并且可通過(guò)艇載北斗短報(bào)文自報(bào)位系統(tǒng)獲取無(wú)人艇的實(shí)時(shí)位置，確保了無(wú)人艇的安全且便于搜尋該故障無(wú)人艇。

3.4 核心算法

將無(wú)人艇是否在安控預(yù)警線及安控判斷線內(nèi)的問(wèn)題抽象為判斷點(diǎn)與多邊形的位置關(guān)系，引入射線法判斷無(wú)人艇是否處于安全區(qū)域內(nèi)，射線法的基本原理參見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。判斷無(wú)人艇是否位于安全航行區(qū)域內(nèi)的算法流程具體如下：

1）獲取無(wú)人艇坐標(biāo)P、安控預(yù)警和安控判斷區(qū)域多邊形的頂點(diǎn)坐標(biāo) Q1、Q2、Q3等和 D1、D2、D3等；

2）以P為起點(diǎn)，沿鉛垂線方向作射線l；

3）判斷射線 l與多邊形各頂點(diǎn)坐標(biāo) Q1、Q2、Q3等和D1、D2、D3等是否相交；若有交點(diǎn)，則判斷該頂點(diǎn)為多邊形兩邊的左端點(diǎn)還是右端點(diǎn)，若為左端點(diǎn)則判定為交點(diǎn)，若為右端點(diǎn)則舍棄；

4）循環(huán)取得安控預(yù)警和安控判斷區(qū)域多邊形的每一條邊且判斷是否平行于鉛垂線，如果平行則忽略；

5）判斷射線l與安控預(yù)警和安控判斷區(qū)域邊界的各邊是否有交點(diǎn)，如果有則交點(diǎn)數(shù)分別遞加1；

6）判斷交點(diǎn)總數(shù)N1和N2的奇偶性。若N1和N2均為奇數(shù)，則判定無(wú)人艇處于安控預(yù)警線以內(nèi)；若N1為偶數(shù)且N2為奇數(shù)，則判定無(wú)人艇處于安控預(yù)警線以外、安控判斷線以內(nèi)；若N1和N2均為偶數(shù)，則判定無(wú)人艇處于安控判定線以外。

4 仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 仿真驗(yàn)證

在MATLAB平臺(tái)下，采用隨機(jī)投點(diǎn)法對(duì)上述算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。設(shè)定投點(diǎn)數(shù)M=1 000，將安控判斷區(qū)域分別設(shè)定為任意的四、八邊形，當(dāng)點(diǎn)在安控預(yù)警區(qū)域以內(nèi)時(shí)，點(diǎn)顯示為綠色，表示無(wú)人艇在可航區(qū)內(nèi)；當(dāng)點(diǎn)在安控預(yù)警區(qū)域以外且安控判斷區(qū)域以內(nèi)時(shí)，點(diǎn)顯示為黑色，表示無(wú)人艇已“撞擊”安控預(yù)警線；當(dāng)點(diǎn)在安控判斷區(qū)域以外時(shí)，點(diǎn)顯示為紅色，表示無(wú)人艇已“撞擊”安控判斷線。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 四邊形區(qū)域仿真結(jié)果

圖7 八邊形區(qū)域仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可以看出，該算法可滿足以上安全控制執(zhí)行策略的邏輯要求，并且正確率100%。

4.2 湖上試驗(yàn)驗(yàn)證

利用以上算法，基于Visual studio 2012軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)無(wú)人艇安全控制程序并嵌入到無(wú)人艇航行控制系統(tǒng)中，通過(guò)實(shí)際湖上試驗(yàn)驗(yàn)證兩種安控措施的有效性和可靠性。如圖8所示，紅色和藍(lán)色箭頭代表兩艘正在湖上航行的無(wú)人艇，黃色代表安控預(yù)警線，黑色代表未啟用的安控判斷線，啟用后將變?yōu)榧t色，如圖9所示。任務(wù)開(kāi)始前，操作人員將安控判斷多邊形區(qū)域頂點(diǎn)的經(jīng)緯度信息下載至艇載安控器，艇載安控器自動(dòng)生成安控預(yù)警區(qū)域多邊形，當(dāng)無(wú)人艇通過(guò)人工或自主方式進(jìn)入安控預(yù)警區(qū)域以內(nèi)時(shí)，立即人工啟用安控判斷線，之后無(wú)人艇便可以在可航區(qū)內(nèi)按照任務(wù)要求安全航行。

圖8 安全控制區(qū)域設(shè)置

圖9 無(wú)人艇“撞擊”安控預(yù)警線

圖10 無(wú)人艇“撞擊”安控判斷線

由軟件顯示界面圖9和圖10可以看出，當(dāng)無(wú)人艇“撞擊”安控預(yù)警線時(shí)，無(wú)人艇降到怠速約為4.3 kn，并發(fā)出安控報(bào)警信號(hào)（預(yù)警）；當(dāng)無(wú)人艇“撞擊”安控判斷線時(shí)，無(wú)人艇將熄火，速度降為0，并發(fā)出安控報(bào)警信號(hào)，之后再根據(jù)以上安控邏輯策略執(zhí)行相應(yīng)的航行操作，實(shí)際湖上試驗(yàn)驗(yàn)證了安全控制系統(tǒng)的有效性。

5 結(jié)論

針對(duì)自主無(wú)人水面艇的航行安全問(wèn)題，本文首次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了無(wú)人艇航行安全控制系統(tǒng)：

1）分析了無(wú)人艇海上自主航行中存在的主要安全隱患以及提高航行安全技術(shù)手段。

2）設(shè)計(jì)了無(wú)人艇航行安全控制系統(tǒng)總體技術(shù)方案，首次提出基于“射線法”的無(wú)人艇安全控制算法，實(shí)現(xiàn)了艇上自主安控和基站被動(dòng)安控兩種安全保障措施，并詳細(xì)闡述了安全控制系統(tǒng)安控策略的執(zhí)行流程。

3）利用仿真技術(shù)和實(shí)際的湖上試驗(yàn)驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的航行安全控制系統(tǒng)的有效性和可靠性。

4）本文所提出的無(wú)人艇航行安全控制系統(tǒng)可推廣到無(wú)人車(chē)、無(wú)人潛航器、無(wú)人機(jī)等航行安全控制中，算法通用性良好，具有一定的普適性。