于東，周軍偉，吳沫，李東豫/ 哈爾濱工業(yè)大學(威海)，山東省 威海市 264209

對于功能型無人艇而言其控制系統(tǒng)是整個船艇的大腦核心，因而控制系統(tǒng)的設(shè)計是無人艇設(shè)計成敗的關(guān)鍵因素之一。本文結(jié)合一艘已完成設(shè)計、制作和測試的無人艇對功能型無人艇的控制系統(tǒng)設(shè)計思想進行了簡要的介紹，這一設(shè)計思想總結(jié)而言即是“中樞系統(tǒng)協(xié)調(diào)，各模塊明確分工，相互協(xié)作，共同完成任務(wù)”。同時也對這一控制系統(tǒng)設(shè)計思想的優(yōu)缺點進行了簡要的總結(jié)，并提出了無人艇控制系統(tǒng)后續(xù)所需改進與發(fā)展的方向。

當宇宙飛船飛離太陽系，當哈勃空間望遠鏡不斷擴展可見宇宙的邊緣，當人類在宇宙空間的視野不斷拓展時，人類眼前的大片區(qū)域，占地球表面積71%的海洋卻還有很大一部分未被人類所探索。究其原因，很大程度在于海洋復雜環(huán)境的危險性，而未勘探海洋區(qū)域，由于已知信息較少，其存在危險的可能性較已探測區(qū)域而言大得多，分析其危險性的來源主要是水域情況、海底暗礁、海域環(huán)境以及海洋生物等自然因素。自大航海時代以來，人類對于海洋的探索一直都未從停歇，而在近幾十年間，隨著科技的進步，航海技術(shù)、海洋裝備等涉海探索技術(shù)的高速發(fā)展以及陸地資源的日益開采等客觀因素，各國紛紛提出了大力發(fā)展海洋的戰(zhàn)略目標，如美國的海洋政策、加拿大的海洋戰(zhàn)略、歐盟的海洋綜合政策以及我國的海洋強國戰(zhàn)略等等。而要實現(xiàn)大力發(fā)展海洋的戰(zhàn)略目標，勘探未知水域，開發(fā)新的海洋區(qū)域是必不可少的一步，鑒于未知海域的危險性，采用無人艇對其進行水域、環(huán)境、近水面區(qū)域等的先期探測將會大大降低對未知海域探測所帶來的危險性，同時也能夠極大程度上避免人員傷亡和重大財產(chǎn)損失。

無人艇(Unmanned Surface Vehicle， USV)通常指的是可以在水面上自主航行、無人作業(yè)的小型船艇，其可以通過搭載不同的功能模塊完成相應(yīng)的任務(wù)，以實現(xiàn)降低風險或降低成本等目的。近年來，隨著控制理論、控制技術(shù)的不斷完善與發(fā)展，隨著水域中無人作業(yè)需求的不斷增多，國內(nèi)外在無人艇領(lǐng)域的研究與發(fā)展也取得了長足的進步。無人艇由于具有較低的安全成本和人工成本，以及可搭載功能模塊赴目標水域自主完成采樣、檢測、環(huán)境偵察、水域探測等任務(wù)的特性，其已被廣泛的應(yīng)用于水域環(huán)境檢測、垃圾清理、養(yǎng)殖、海洋漁業(yè)及水藻清理等民用領(lǐng)域，同時也已一定程度上應(yīng)用在了涉海領(lǐng)域的科學研究當中；無人艇同樣由于其具有無人偵察、探測、目標追蹤、精準打擊等功能，已開始在軍事領(lǐng)域應(yīng)用中嶄露頭角。無人艇作為一個搭載任務(wù)功能模塊的平臺，對于其自身航行控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求是尤為嚴格，因為無論利用無人艇完成什么樣的任務(wù)，保證其能夠安全、精確、穩(wěn)定的航行至目標區(qū)域是完成任務(wù)的首要條件，因此對于航行控制系統(tǒng)的設(shè)計是極其重要的，也是無人艇設(shè)計成敗的關(guān)鍵因素。

無人控制系統(tǒng)的框架設(shè)計

萬丈高樓平地起，任何工程均需要有條不紊的從頭開始，而在任何項目進入實際操作之前均需要在前期進行詳細、合理的設(shè)計。對于無人船的控制系統(tǒng)而言，其框架設(shè)計即是前期設(shè)計的主要內(nèi)容。無人船控制系統(tǒng)框架設(shè)計主要是對其控制系統(tǒng)中各模塊的功能進行詳細設(shè)計，并且詳細考慮各模塊的軟硬件資源分配，以實現(xiàn)無人船的功能規(guī)劃，同時也要著重考慮后續(xù)功能的可擴展性，以合理設(shè)計無人船控制系統(tǒng)，實現(xiàn)多功能、多用途作業(yè)的需求。

功能型無人艇的控制系統(tǒng)按照功能大類區(qū)分主要有兩部分：航行控制系統(tǒng)和任務(wù)功能控制系統(tǒng)。其中航行控制系統(tǒng)指的是控制船艇航行的模塊，其可分為：遙控航行模塊和自主航行模塊；特定功能控制系統(tǒng)指的是無人艇上需進行無人作業(yè)的控制模塊，其種類繁多，例如圖像采集、環(huán)境監(jiān)測、水質(zhì)探測、無人投放、垃圾收集、水藻清理等。無人艇上的這些模塊需合理的配合才能夠更好的完成終端機所派發(fā)給無人艇的任務(wù)，因此在對功能型無人艇控制系統(tǒng)框架進行設(shè)計時要綜合考慮各個模塊的可兼容性及后續(xù)各模塊功能的可優(yōu)化性等性能。無人艇執(zhí)行任務(wù)時的工作流程框架圖如圖1所示。

圖1 無人艇執(zhí)行功能任務(wù)時的工作流程框架圖

在設(shè)計無人艇的控制系統(tǒng)時考慮到各模塊間的可兼容性以及后續(xù)功能的可擴展性和可優(yōu)化性等因素，決定采用主控模塊和各功能模塊獨立控制的方式來實現(xiàn)無人艇的控制系統(tǒng)功能。即無人艇的上位機主程序模塊具有一套單獨的軟硬件控制系統(tǒng)，同時其每一個功能模塊也均具有的獨立的軟硬件控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框架圖見圖2。如此便能夠保證各功能模塊間相互獨立、作業(yè)時互不干擾，同時又能夠通過上位機的中樞控制程序?qū)⒏鞴δ苣K相互協(xié)調(diào)、相互兼容，使得其協(xié)同作業(yè)，以實現(xiàn)無人艇的設(shè)計功能。

通過以上描述，不難看出，本文中提出的無人艇控制系統(tǒng)設(shè)計思想為：中樞系統(tǒng)協(xié)調(diào)，各模塊獨立運行。根據(jù)這一思想設(shè)計無人艇控制系統(tǒng)雖然存在著硬件資源浪應(yīng)用不足、船艇空間浪費等缺點，但是其可以極大的保證各模塊的兼容性，同時也為后續(xù)功能擴展提供了很大的空間，并且極大的改善了設(shè)計和制作過程中更換不同型號硬件所帶來的大量改動等問題，很適合當下無人艇技術(shù)發(fā)展尚未成熟的現(xiàn)狀。

無人船控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

對于功能型無人艇而言，其所需的任務(wù)功能模塊并不相同，但是其對于航行模塊的需求，卻都是必不可少的。而無人艇設(shè)計的過程中需根據(jù)不同需求，設(shè)計不同的功能模塊，且功能模塊繁多，本文結(jié)合無人艇的航行模塊設(shè)計對其控制系統(tǒng)設(shè)計進行簡要介紹，不再一一介紹各功能模塊的設(shè)計。

圖2 無人艇控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 無人艇控制系統(tǒng)硬件功能框架圖

在對無人艇的控制系統(tǒng)進行設(shè)計時，軟硬件的設(shè)計均必不可少，而在對硬件進行設(shè)計時應(yīng)著重考慮硬件產(chǎn)品的適用性和可靠性，即要保證硬件設(shè)備既能夠滿足控制程序使用的需求，又能夠耐久耐用。根據(jù)上文所提無人艇設(shè)計思路，中樞控制系統(tǒng)負責協(xié)調(diào)各模塊間的工作，因此對于中樞控制系統(tǒng)的硬件選擇是整個控制系統(tǒng)硬件設(shè)計的關(guān)鍵。而在硬件設(shè)計時，需綜合考慮無人艇所需功能，并且結(jié)合試驗效果協(xié)同分析，最終選擇最優(yōu)的中樞控制系統(tǒng)(上位機)硬件，本文介紹的無人艇上位機采用的是樹莓派3代開發(fā)板(Raspberry Pi 3)，其主要負責為下位機傳達控制模式指令(自主航行、遙控航行)和下一步航行規(guī)劃，而航行控制系統(tǒng)(下位機)硬件采用的STM32F103開發(fā)板，其主要負責定位(GPS)信息、船艇姿態(tài)信息和其他航行相關(guān)傳感器信息的接收，并解算當前位置、船艇姿態(tài)、運行情況等船艇航行數(shù)據(jù)信息，同時根據(jù)上位機反饋回的航行規(guī)劃信息解算船艏轉(zhuǎn)向角度，并控制槳、舵機運轉(zhuǎn)，使得無人船艇可根據(jù)上位機指令按規(guī)劃航跡航行。在主要考慮航行性能的無人艇控制系統(tǒng)中，中樞控制系統(tǒng)(上位機)硬件和航行控制系統(tǒng)(下位機)硬件確定完成，且各控制模塊硬件功能劃分明確，則無人艇的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計初步完成，其功能框架圖見圖3。

無人船控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

無人艇控制系統(tǒng)硬件設(shè)計完成后，需根據(jù)硬件情況選擇合適的語言編制無人艇的控制程序，文中所介紹的無人艇控制系統(tǒng)程序采用C++編寫。在編制控制程序前，首也應(yīng)該理清程序的構(gòu)架。

本文介紹的無人艇控制程序由上位機程序和下位機程序兩部分構(gòu)成，其中上位機程序主要包含航行模式控制程序、遙控信息給定程序以及下位機反饋信息處理程序等幾部分內(nèi)容。航行模式控制程序中是通過識別遙控器所發(fā)信號來判斷采用遙控模式航行還是自主模式航行，如接收器識別出的是高頻信號，則控制模式參數(shù)定義為0，采用遙控模式航行，相反若識別出的是低頻信號，則控制模式參數(shù)定義為1，采用自主模式航行；遙控程序中采用PWM波來傳輸遙控信息，并將遙控信息處理后傳遞給下位機，使得下位機可以控制電機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，以實現(xiàn)對船艇航行狀態(tài)的控制；在自主航行程序里，將預設(shè)GPS坐標點提前編寫至控制程序當中，而下位機程序每隔0.5s向上位機反饋一次船艇當前位置和航行狀態(tài)，上位機程序解算船艇是否到達預設(shè)航跡點的容錯范圍內(nèi)(2m以內(nèi))，如到達，則解算下一步航向，并向下位機下達下一步航行指令，如未達到預設(shè)航跡點附近，則解算船艇是否偏離航向，如未偏離，則向下位機傳達繼續(xù)航行指令，如偏離預設(shè)航向則解算當前正確航向數(shù)據(jù)，并向下位機下達正確航向數(shù)據(jù)，以讓下位機控制船艇回到正確航向，其軟件設(shè)計流程圖見圖4。

下位機程序中主要包含推進電機控制程序、GPS信號接收及處理程序、船艇姿態(tài)信號接收及處理程序、系統(tǒng)自檢及初始化程序等功能型模塊程序，其中推進電機控制程序通過控制電機的輸入電壓和電流來控制其轉(zhuǎn)速，以此實現(xiàn)控制船艇運動的目標；GPS信號接收及處理程序和船艇姿態(tài)信號接收及處理程序主要是用來接收并處理GPS傳感器和姿態(tài)傳感器(陀螺儀)的回傳數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機程序中，上位機根據(jù)位置信息

及姿態(tài)信息判斷船艇目前位置和航向，以保證船艇能夠按照預設(shè)軌跡航行；系統(tǒng)自檢及初始化程序主要是檢查下位機系統(tǒng)軟硬件信息是否出錯，同時將GPS傳感器和姿態(tài)傳感器初始化，以避免傳感器因為位置或姿態(tài)的轉(zhuǎn)變而出現(xiàn)的錯誤，也減小了由于傳感器長時間使用而產(chǎn)生的溫漂等誤差。

實驗與分析

圖4 自主航行控制程序軟件設(shè)計流程圖

圖5天鵝湖測試現(xiàn)場

根據(jù)以上文中所介紹的無人艇控制系統(tǒng)設(shè)計思路，已完成了一艘小型無人艇的設(shè)計與制作，并已在哈爾濱工業(yè)大學(威海)校內(nèi)天鵝湖及山大(威海)校內(nèi)文心湖中進行過自主航行測試，圖5和圖6是測試現(xiàn)場照片。湖中測試結(jié)果顯示船艇能夠較好的按照規(guī)劃航跡運行，天鵝湖中的測試結(jié)果路徑如圖7所示。

從圖7中的航跡結(jié)果可以看出，實際航跡與規(guī)劃航跡幾乎完全重合，且實際航跡中的偏離點也完全在航行程序的容錯范圍之內(nèi)，由此結(jié)果可以看出文中所提出的無人艇控制系統(tǒng)設(shè)計思路是完全可行的。

結(jié)論與展望

本文在綜合考慮無人艇控制系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)上，總結(jié)了功能型無人艇的設(shè)計思想，并結(jié)合一艘實際設(shè)計、制作完成的無人艇對控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計流程和思路進行了介紹，同時通過對該無人艇的實際航行測試，檢驗了設(shè)計思路的可行性和已完成的控制系統(tǒng)的可靠性。

圖7 天鵝湖中測試結(jié)果路徑

圖6 文心湖測試現(xiàn)場

文中介紹的無人艇控制系統(tǒng)設(shè)計思路雖然在很大程度上滿足了無人艇各功能模塊的兼容性、可靠性和可擴展性，極大的簡化了無人艇軟硬件設(shè)計過程中的難度，但不可否認的是，根據(jù)這一思想設(shè)計的控制系統(tǒng)在很大程度上存在著控制資源和艇空間資源浪費等問題，因此，后續(xù)在無人艇控制系統(tǒng)設(shè)計的過程中保證其兼容性、可靠性和可擴展性的基礎(chǔ)上，更好的優(yōu)化控制資源和艇空間資源將是一個必須研究的重要內(nèi)容。 ■

(參考文獻：略。如有需要，請聯(lián)系編輯部。)