胡建章，唐國元，王建軍，吳 驍，解 德

(華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

水面無人艇（Unmanned surface vehicle，USV）作為一種無人海洋智能運(yùn)載平臺(tái)，具有自主規(guī)劃及自主航行能力。其在軍事和民用領(lǐng)域具有極其廣泛的應(yīng)用前景，如：反潛、反魚雷、情報(bào)監(jiān)視與偵查，以及海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋氣象預(yù)報(bào)、海洋生物研究、海圖繪制、通信中繼等諸多用途[1]。此外，USV具有在海-空界面之間運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)，可作為水下自主潛航器與空中無人機(jī)之間的通訊中繼站，從而充當(dāng)立體化海洋空間的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)[2,3]。

當(dāng)面臨復(fù)雜的水域環(huán)境，以及越來越精密化、多樣化的任務(wù)時(shí)，單一的USV已經(jīng)難以擔(dān)此重任。所以集成多艘USV所構(gòu)成的集群系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，其具有更廣的作業(yè)范圍、更高的作業(yè)效率、更強(qiáng)的魯棒性以及靈活性等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)如今無人系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)[4]。USV協(xié)同系統(tǒng)絕不是幾艘USV的簡單疊加，而是它們的有機(jī)結(jié)合、協(xié)同運(yùn)作，利用協(xié)同來實(shí)現(xiàn)資源的有效利用，以提高任務(wù)的執(zhí)行效率[5]。

國外學(xué)者對(duì)于多USV的協(xié)同路徑規(guī)劃、協(xié)同路徑跟蹤和協(xié)同作業(yè)中的避碰進(jìn)行了較多的仿真與試驗(yàn)研究[6 – 9]。國內(nèi)學(xué)者在USV的艇型設(shè)計(jì)、智能控制方法、操縱性、自主導(dǎo)航等方面進(jìn)行了較多研究[10 – 12]。本文構(gòu)建了一種水面無人艇集群系統(tǒng)，通過系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)研究以及模塊化設(shè)計(jì)研究，建立具備多任務(wù)、長航時(shí)、高精度導(dǎo)航及較高智能化的集群系統(tǒng)。

1 水面無人艇集群系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

水面無人艇集群系統(tǒng)在物理上可以分為岸基基站子系統(tǒng)和若干無人艇子系統(tǒng)，在邏輯上可以分為6個(gè)層次：智能決策層、可視化分析層通信鏈路層、識(shí)別感知層、控制層以及功能執(zhí)行層，系統(tǒng)總體體系結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)呈星型結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖 1 水面無人艇集群系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Architecture diagram of USVs system

圖 2 水面無人艇集群系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Topology diagram of USVs system

系統(tǒng)通過識(shí)別感知層獲取當(dāng)前的水域信息、地理信息、系統(tǒng)自身的運(yùn)作情況等各種信息，并經(jīng)由通信鏈路層傳輸至可視化分析層和智能決策層，然后由智能決策層合理規(guī)劃控制策略（如避障、包圍、返回、原地待命等），完全取代操作人員采取最佳策略。當(dāng)接收到指揮指令時(shí)，根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級(jí)和當(dāng)前所處情勢(shì)確定當(dāng)前應(yīng)采取的措施，使得任務(wù)得以完成或損失最小，具備態(tài)勢(shì)判斷與決策能力。這些決策同樣通過通信鏈路層傳達(dá)給底層的控制層，并由其解算出控制指令來控制功能執(zhí)行層完成相應(yīng)的功能及任務(wù)。

1.1 岸基基站子系統(tǒng)

岸基基站子系統(tǒng)是整個(gè)集群系統(tǒng)的指揮與控制中樞，負(fù)責(zé)對(duì)集群系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃、智能決策、電子地圖顯示、狀態(tài)監(jiān)控、指揮控制。其物理組成包括：監(jiān)控計(jì)算機(jī)、無線網(wǎng)橋、GPS接收機(jī)、數(shù)傳電臺(tái)及其天線、饋線等，如圖3所示。其中監(jiān)控計(jì)算機(jī)的智能決策模塊和航行數(shù)據(jù)庫組成智能決策層，電子導(dǎo)航地圖和系統(tǒng)監(jiān)控軟件構(gòu)成了可視化分析層，無線網(wǎng)橋以及數(shù)傳電臺(tái)屬于數(shù)據(jù)鏈路層，GPS接收機(jī)屬于識(shí)別感知層。

圖 3 岸基基站子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig. 3 Block diagram of base station subsystem

監(jiān)控計(jì)算機(jī)采用研華IPC-610L一體化工業(yè)計(jì)算機(jī)，配備雙顯示屏，分別顯示電子導(dǎo)航地圖以及系統(tǒng)監(jiān)控界面。并通過RJ-45以太網(wǎng)接口與BodaCOM-6000系列基站端無線網(wǎng)橋連接，實(shí)現(xiàn)與USV的通信。USV的實(shí)時(shí)航向、位置，以及艇載攝像頭的監(jiān)控畫面等重要信息都經(jīng)由無線網(wǎng)橋傳回上位機(jī)。上位機(jī)的控制指令也通過網(wǎng)橋?qū)崟r(shí)發(fā)送給USV，由USV的控制模塊負(fù)責(zé)解析和分類，然后進(jìn)一步傳送給相應(yīng)的艇載設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)USV的控制操作?；镜腟DI-TimeNav-6授時(shí)導(dǎo)航定位接收機(jī)配備2個(gè)RS232標(biāo)準(zhǔn)串口，串口通信波特率為9 600 bps。COM1口與工控機(jī)相連連接，獲取基站的GPS信息；COM2口連接MDS2710A數(shù)傳電臺(tái)，用于傳輸RTK差分?jǐn)?shù)據(jù)，實(shí)時(shí)校正USVs的GPS信息。

1.2 無人艇子系統(tǒng)

無人艇子系統(tǒng)的主要功能是接受岸基基站子系統(tǒng)的命令，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。結(jié)合系統(tǒng)的功能以及需求，基于模塊化的設(shè)計(jì)理念，將無人艇子系統(tǒng)分解為控制模塊、視頻模塊、導(dǎo)航模塊、通信模塊、艇體模塊、能源模塊、航行模塊以及功能模塊（水質(zhì)環(huán)境檢測(cè)模塊）等，如圖4所示。其中控制模塊即為控制層，視頻模塊和導(dǎo)航模塊的GPS信號(hào)接收機(jī)屬于識(shí)別感知層，導(dǎo)航模塊的數(shù)傳電臺(tái)和通信模塊屬于通信鏈路層，艇體模塊、能源模塊、航行模塊以及功能模塊共同構(gòu)成功能執(zhí)行層。

圖 4 無人艇子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig. 4 Block diagram of USV subsystem

1）控制模塊

在USV運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)控制器除了要接收基站上位機(jī)的指令，運(yùn)行控制算法，向電機(jī)控制器輸出控制信號(hào)，并檢測(cè)電機(jī)的反饋信號(hào)，還要接受GPS信號(hào)接收機(jī)接收到的USV位置及航向信息，然后通過無線網(wǎng)橋?qū)崟r(shí)傳送給上位機(jī)。因此要求具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力、較短的運(yùn)行周期及可靠的性能，采用西門子S7-1200系列PLC作為控制模塊，以實(shí)現(xiàn)對(duì)USV的航行控制。

2）視頻模塊

水域視頻信息采集模塊主要用于對(duì)USV周邊水域進(jìn)行偵查和監(jiān)視。在艇首部安裝?？低旸S-2CD3T00系列高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭，用于獲取現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)視頻信息，再通過交換機(jī)和無線網(wǎng)橋傳回基站。

3）導(dǎo)航模塊

由于USV執(zhí)行任務(wù)時(shí)，需要精確的導(dǎo)航定位信息，所以需要使用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。常規(guī)的GPS測(cè)量方法，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量都需要事后進(jìn)行解算才能獲得厘米級(jí)的精度，而本系統(tǒng)所采用的RTK技術(shù)是能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)定位精度的測(cè)量方法，它采用了載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分（Real-time kinematic）方法。其工作原理是將1臺(tái)接收機(jī)置于基準(zhǔn)站上，另1臺(tái)或幾臺(tái)接收機(jī)置于載體（稱為流動(dòng)站）上，基準(zhǔn)站和流動(dòng)站同時(shí)接收同一時(shí)間、同一GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，基準(zhǔn)站所獲得的觀測(cè)值與已知位置信息進(jìn)行比較，得到GPS差分改正值。然后將這個(gè)改正值通過無線電數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)及時(shí)傳遞給共視衛(wèi)星的流動(dòng)站精化其GPS觀測(cè)值，從而得到經(jīng)差分改正后流動(dòng)站較準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)位置。

4）通信模塊

USV與岸站的通訊和數(shù)據(jù)回傳主要有UHF/VHF無線電通訊方式、GSM/3G、海事衛(wèi)星通信幾種通信方式?？紤]到USV外出執(zhí)行任務(wù)時(shí)與基站設(shè)備的距離并不是很遠(yuǎn)，在基站和移動(dòng)站上布置無線網(wǎng)橋，采用無線局域網(wǎng)進(jìn)行通信。移動(dòng)站同樣采用BodaCOM-6000系列無線網(wǎng)橋，支持最新的IEEE 802.11AC標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備工作在5.8 G免許可證頻段，支持POE供電，帶寬高達(dá)520 Mbps，傳輸距離不低于35 km。完全滿足本系統(tǒng)對(duì)通信的要求。

5）艇體模塊

艇體是USV子系統(tǒng)的載體。艇體作為USV所有設(shè)備的搭載平臺(tái)，確保設(shè)備的安全穩(wěn)固是對(duì)其最基本的要求。艇體對(duì)USV的操縱性、靈活性、續(xù)航力、載重量和其他功能的實(shí)現(xiàn)上，都有較大的影響。首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)需求分析，根據(jù)分析結(jié)果初步確定艇型，隨后計(jì)算艇體的結(jié)構(gòu)參數(shù)（主尺度、艇體結(jié)構(gòu)與總體布置、重量控制與校核，艇體靜水力計(jì)算等）。根據(jù)艇體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算艇體的穩(wěn)性，建立艇體的縮比模型，進(jìn)行艇體靜水阻力試驗(yàn)與耐波性試驗(yàn)研究，掌握USV的阻力特性及在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性。利用流體仿真軟件，建立USV的CFD仿真模型，對(duì)USV的水動(dòng)力性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

6）能源模塊

能源模塊提供全艇所需能源。常規(guī)的航行任務(wù)對(duì)USV的航速要求不高，但對(duì)持續(xù)航行時(shí)間以及巡航的水域面積有一定的要求，同時(shí)為避免柴油機(jī)的噪聲及燃油污染，采用4個(gè)20 000 mAh鉛蓄電池構(gòu)成的蓄電池組對(duì)全艇進(jìn)行穩(wěn)定的24 V直流供電，為合理充分地利用電能，保證USV的各個(gè)用電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，建立USV的能量管理系統(tǒng)。根據(jù)任務(wù)需要還可整體替換蓄電池組，以滿足連續(xù)執(zhí)行任務(wù)的需要。

7）航行模塊

航行模塊主要對(duì)USV的航向和航速進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，以實(shí)現(xiàn)USV的航行功能。采用24 V雙直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的推進(jìn)系統(tǒng)，通過雙螺旋槳的差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。電推進(jìn)系統(tǒng)相對(duì)傳統(tǒng)柴油機(jī)直接帶動(dòng)螺旋槳推進(jìn)相比較具有響應(yīng)快、調(diào)速范圍寬、低速特性好等優(yōu)點(diǎn)，并能夠結(jié)合供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全船能量的統(tǒng)一管理和合理分配，提高能量利用效率。

8）功能模塊

水質(zhì)環(huán)境檢測(cè)為該系統(tǒng)的擴(kuò)展功能，用于對(duì)特定的水域進(jìn)行水質(zhì)環(huán)境檢測(cè)分析，該模塊采用順序控制模式，完成全自動(dòng)、一體化的水質(zhì)采樣-攪拌-檢測(cè)-排出等流程。實(shí)現(xiàn)對(duì)獲取的多源動(dòng)態(tài)水質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行一體化查詢、可視化分析等功能，從而幫助有關(guān)部門快速獲取相關(guān)水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)信息[13 – 15]。

2 系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

為提供良好的可視化界面，設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控軟件分成2個(gè)界面。左邊為電子導(dǎo)航地圖軟件，采用C#編寫，右邊為系統(tǒng)控制軟件，采用Labview編寫。兩程序之間采用Socket協(xié)議通信[16]，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。Socket是在應(yīng)用層和傳輸層之間的一個(gè)抽象層，它把TCP/IP層復(fù)雜的操作抽象為幾個(gè)簡單的接口供應(yīng)用層調(diào)用，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程在網(wǎng)絡(luò)中的通信。

2.1 電子導(dǎo)航地圖軟件

電子導(dǎo)航地圖軟件的左半部分模擬了水域及周邊陸地環(huán)境，3艘USV會(huì)根據(jù)其實(shí)時(shí)經(jīng)緯度及航向信息而實(shí)時(shí)顯示在地圖界面上；右半部分為USV搭載的攝像頭拍攝到的視頻信息。電子導(dǎo)航地圖有普通地圖和衛(wèi)星地圖2種模式供操作人員選擇。“選項(xiàng)”子菜單可對(duì)IP地址、通信端口等參數(shù)進(jìn)行配置，確保地圖與攝像頭以及系統(tǒng)控制軟件的通信暢通。

地圖軟件的“實(shí)時(shí)控制”模式如圖5所示，在該模式下可實(shí)時(shí)控制USV自動(dòng)駛向選定的目標(biāo)位置。

圖 5 電子導(dǎo)航地圖實(shí)時(shí)控制模式Fig. 5 Real time control model of electronic navigation map

圖6為地圖的“路徑規(guī)劃”模式。打開“路徑編輯器”，可以在地圖上實(shí)時(shí)規(guī)劃航行路徑，也可以向地圖導(dǎo)入預(yù)先規(guī)劃完成的路徑文件，還可以對(duì)路徑進(jìn)行各種插值處理得到更加精確的路徑信息，并導(dǎo)出保存為path文件。系統(tǒng)控制軟件通過讀取該path文件，并解析出具體路徑，控制USV沿著該路徑航行。

2.2 系統(tǒng)監(jiān)控軟件

結(jié)合控制要求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)監(jiān)控軟件，其界面如圖7所示。界面左半邊會(huì)實(shí)時(shí)顯示3艘USV的經(jīng)緯度及航向信息，以及目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)。

界面中部有著系統(tǒng)運(yùn)作模式的切換控件和USV的選擇控件?！笆謩?dòng)”模式可用下方的方向控鍵來遙控USV航行；“實(shí)時(shí)”以及“規(guī)劃”模式在2.1節(jié)已經(jīng)敘述；“巡航”模式即將選定的位置點(diǎn)連成一個(gè)封閉的曲線，系統(tǒng)自動(dòng)解算出一個(gè)最優(yōu)切入點(diǎn)（切入角度小、切入距離短），使USV從該點(diǎn)切入并沿著該路線進(jìn)行自主巡航；在“辨識(shí)”模式下，可分別給定左右螺旋槳不同轉(zhuǎn)速，并記錄航行狀態(tài)參數(shù)，由此可辨識(shí)USV的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，從而幫助建立USV的精確動(dòng)力學(xué)模型。

界面的右半部分是為USV上搭載的水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊編寫的電化學(xué)數(shù)據(jù)記錄、顯示、分析界面，供環(huán)保人員進(jìn)行水域環(huán)境保護(hù)狀態(tài)分析。軟件會(huì)同步保存檢測(cè)數(shù)據(jù)供有關(guān)人員帶回實(shí)驗(yàn)室做進(jìn)一步的分析研究。

3 無人艇控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無人艇控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示，采用西門子S7-1200系列PLC作為USV的控制器，加配具有全雙工RS232串口的通信模塊（CM），連接艇載SDITimeNav-H雙天線GNSS定位測(cè)向接收機(jī)，以接收GPS信息，串口通信波特率為115 200 bps，數(shù)據(jù)采集頻率為5 Hz。通過識(shí)別幀頭“GPRMC”和“HEADINGA”來提取系統(tǒng)需要的經(jīng)緯度、航速及航向信息[17]，實(shí)時(shí)傳輸給系統(tǒng)控制界面。系統(tǒng)控制界面與PLC之間采用Modbus/TCP協(xié)議通信[18]?；赥CP/IP的Modbus協(xié)議，將Modbus幀簡單的嵌入到TCP/IP幀中，開發(fā)容易，硬件成本低廉，適用于各種應(yīng)用的解決方案，已成為自動(dòng)化設(shè)備最廣泛支持的協(xié)議。

圖 8 無人艇控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig. 8 Block diagram of USV control system

采用模擬量對(duì)推進(jìn)器進(jìn)行調(diào)速，由于該型號(hào)PLC的CPU模塊集成的模擬量輸出為電流，可在不添加模擬量輸出模塊的情況下，將電流模擬量輸出端口并聯(lián)一個(gè)250 Ω的定值電阻，即可將0～20 mA的電流模擬量轉(zhuǎn)化為0～5 V的電壓模擬量，用于控制伺服電推進(jìn)器在0～1 500 rpm范圍內(nèi)調(diào)速；PLC的數(shù)字量輸出連接繼電器用來控制推進(jìn)器倒順車；將推進(jìn)器集成的編碼器輸出總線接回PLC的高速計(jì)數(shù)器以獲取電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。推進(jìn)器連接示意圖如圖9所示。

圖 9 水下電動(dòng)推進(jìn)器連接示意圖Fig. 9 Connection diagram of underwater electric propulsion

圖 10 無人艇運(yùn)動(dòng)控制原理圖Fig. 10 Schematic diagram of USV motion control

如圖10所示，USV的運(yùn)動(dòng)控制由外環(huán)航跡控制環(huán)、中間航向控制環(huán)、內(nèi)環(huán)航速控制環(huán)3個(gè)閉環(huán)控制組成。航跡控制環(huán)將GPS接收到USV位置信息同規(guī)劃航線作比較，計(jì)算出航跡偏差，由航跡控制算法解算后向航向控制器發(fā)送航向控制命令消除航跡偏差，航向控制環(huán)將GPS接收機(jī)獲取的USV的實(shí)際航向與命令航向進(jìn)行比較，得到航向偏差信號(hào)，通過航向控制算法向USV的雙機(jī)雙槳控制環(huán)發(fā)送一個(gè)速度差命令，雙機(jī)速度差控制環(huán)驅(qū)動(dòng)電推進(jìn)伺服系統(tǒng)使實(shí)際速度差與命令速度差一致，通過航向控制和雙機(jī)速度差控制共同作用以消除航向偏差。由3個(gè)閉環(huán)共同作用使USV消除位置、航向偏差實(shí)現(xiàn)航跡跟蹤控制。

4 調(diào)試與實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，在拖曳水池實(shí)驗(yàn)室對(duì)各子系統(tǒng)以及模塊進(jìn)行聯(lián)調(diào)。經(jīng)測(cè)試，通信正常，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

考慮實(shí)際情況，將整套系統(tǒng)運(yùn)載至華中科技大學(xué)喻家湖湖區(qū)進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（部分?jǐn)?shù)據(jù)見表1和表2），試驗(yàn)照片如圖11～圖12所示。

1）單艇推進(jìn)功能試驗(yàn)（分別測(cè)試3艘艇）：USV處于系泊狀態(tài)，使左推進(jìn)器緩慢加速、右推進(jìn)器緩慢加速、雙推進(jìn)器同時(shí)加速、以及控制USV轉(zhuǎn)向。發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)推進(jìn)及轉(zhuǎn)向功能正常，GPS信號(hào)也能夠正常接收，可進(jìn)行后續(xù)各項(xiàng)試驗(yàn)。

2）單艇自由航行試驗(yàn)（分別測(cè)試3艘艇）：解除系泊狀態(tài)，同時(shí)將控制界面調(diào)至“手動(dòng)”模式，使雙推進(jìn)器同步加速，USV直線航行；調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速差，控制USV的轉(zhuǎn)向；控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)倒車功能?？刂芔SV能在當(dāng)前水域范圍內(nèi)自由航行。

表 1 USV的GPS信息Tab. 1 GPS information of USV

表 2 水樣SWV掃描Tab. 2 SWV scanning of water sample

圖 11 單艇規(guī)劃航行Fig. 11 Single USV planning sailing

圖 12 雙艇跟蹤航行Fig. 12 Twin USVs tracking

3）單艇指定目標(biāo)點(diǎn)航行試驗(yàn)：控制界面調(diào)至“實(shí)時(shí)”模式，在電子地圖上實(shí)時(shí)選定一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，USV立即自動(dòng)駛向該點(diǎn)，當(dāng)USV逐漸靠近目標(biāo)點(diǎn)時(shí)，推進(jìn)器隨之減速，使得USV最終停至該目標(biāo)點(diǎn)。

4）單艇規(guī)劃航行試驗(yàn)：控制界面調(diào)至“規(guī)劃”模式，在電子地圖上實(shí)時(shí)規(guī)劃路徑，或是加載預(yù)先規(guī)劃好的路徑文件，使USV按照該路徑航行。

5）雙艇跟蹤航行試驗(yàn)：前艇航行20 m后，后艇起航；前艇手動(dòng)操作轉(zhuǎn)向，后艇跟隨前艇運(yùn)動(dòng)；前艇規(guī)劃航行，后艇跟蹤。跟蹤航行過程中兩艇距離始終控制在20 m左右。

6）多艇編隊(duì)巡航試驗(yàn)：控制界面調(diào)至“巡航”模式，在電子地圖上規(guī)劃出一個(gè)圓周軌跡，3艘USV保持艇間距20 m按照該軌跡進(jìn)行編隊(duì)巡航。

7）拓展試驗(yàn)（水質(zhì)采樣分析）：在地圖上選定幾個(gè)采樣點(diǎn)，控制USV駛向該位置，并進(jìn)行水質(zhì)的一體化電化學(xué)采樣分析。

5 結(jié) 語

本文構(gòu)建了一種水面無人艇集群系統(tǒng)，針對(duì)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述?；谀K化的設(shè)計(jì)理念，將整個(gè)系統(tǒng)細(xì)分為各子系統(tǒng)（模塊），并對(duì)其進(jìn)行選型及設(shè)計(jì)，使之有機(jī)結(jié)合成為一套完整的無人艇集群系統(tǒng)。通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：該集群系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遙控航行、追蹤目標(biāo)點(diǎn)航行、規(guī)劃路徑航行以及編隊(duì)自主巡航等多項(xiàng)功能。

隨著研究的繼續(xù)，會(huì)對(duì)本套無人集群系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，如拓展無人機(jī)子系統(tǒng)、無人水下航行器子系統(tǒng)等。與此同時(shí)還會(huì)進(jìn)一步展開對(duì)于涉海涉水相關(guān)目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別、信息處理、集群控制、人工智能等相關(guān)理論與技術(shù)的學(xué)習(xí)和探討，為無人集群的自主化、協(xié)同化和智能化研究打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。