葉曉明，游少杰，劉 祥，王泉斌，李偉光，高翰林

(1. 華中科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2. 中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

0 引 言

水面無人艇（unmanned surface vehicle，USV）是一種以自主方式在水面航行的無人化、智能化作業(yè)平臺，通過搭載多種傳感器可實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)距離的無人作業(yè)。無人艇具有體積小、機(jī)動性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于水面救援、反魚雷、反潛戰(zhàn)等多個(gè)領(lǐng)域[1–4]。

隨著無人艇應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，對無人艇收放裝置研制的需求越來越高[5]。目前，無人艇的收放主要依靠人工操作，方法包括吊放式、塢艙式和尾滑道式3 種。

吊放式布放相對比較簡單，但在回收時(shí)由于海上風(fēng)浪的影響，無人艇與母艦難以保持相對靜止，存在無人艇著鉤難的問題。而在起吊過程中，無人艇與母艦不可避免會發(fā)生碰撞造成一定的損傷[6–8]。塢艙式布放和回收都比較簡便，但對于母艦結(jié)構(gòu)破壞較大，對母艦結(jié)構(gòu)要求較高。尾滑道式的優(yōu)點(diǎn)在于不對母艦結(jié)構(gòu)造成破壞且尾滑道結(jié)構(gòu)簡單，受水面狀況影響較小，回收布放都比較穩(wěn)定、高效，存在的問題主要在于無人艇尾滑道沖坡時(shí)的對中和控制等較為困難。對比上述3 種人工回收方法，尾滑道式收放技術(shù)在母船船體結(jié)構(gòu)要求、水面狀況適應(yīng)能力、收放效率等方面的綜合性能最適用于無人艇快速自主收放。

本文以某型7.6 m 柴油動力小艇為研究對象，通過無人化改造，研制并搭建基于尾滑道的無人艇自主引導(dǎo)回收系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，對各功能模塊和改造后無人艇性能進(jìn)行測試，并進(jìn)一步開展無人艇自主引導(dǎo)回收模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證無人艇自主引導(dǎo)回收方案的可行性。

1 整體方案設(shè)計(jì)

無人艇是包含有多種功能的智能控制系統(tǒng)[9–10]，涉及到通信、導(dǎo)航、控制等多個(gè)學(xué)科。根據(jù)無人艇自主引導(dǎo)回收的需求，設(shè)計(jì)無人艇自主引導(dǎo)回收系統(tǒng)，原理如圖1 所示。系統(tǒng)包括無人艇端自動控制模塊（下位機(jī)）和母船端監(jiān)控引導(dǎo)模塊（上位機(jī)）。在自主引導(dǎo)回收過程中，無人艇端自動控制模塊負(fù)責(zé)將實(shí)時(shí)的無人艇相對位置、航速、航向以及視頻圖像等信息傳回母船端。同時(shí)，根據(jù)母船端的指令，控制柴油機(jī)、翻斗和噴泵，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)無人艇的航速和航向，完成無人艇的引導(dǎo)回收。母船端監(jiān)控引導(dǎo)模塊根據(jù)無人艇端傳回的圖像及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)判斷無人艇所處狀況，通過人工智能算法引導(dǎo)無人艇更好地完成自主回收。

圖1 無人艇自主引導(dǎo)回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖Fig. 1 Schematic diagram of autonomous guidance and recovery system for USV

無人艇端自動控制模塊（下位機(jī)）主要由艇端控制器、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、動力控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等五大子模塊組成。艇端控制器通過導(dǎo)航定位系統(tǒng)的GPS 和視覺模塊獲取無人艇相對位置及姿態(tài)等信息。通過動力控制系統(tǒng)控制柴油機(jī)油門大小、翻斗開度和噴泵出水口角度調(diào)整無人艇的航速與航向。通過通信系統(tǒng)的數(shù)傳電臺與上位機(jī)按照自定義的通信協(xié)議進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息傳輸，通過艇端視覺模塊與上位機(jī)進(jìn)行圖像信息傳輸。電源系統(tǒng)則負(fù)責(zé)艇端各子模塊的穩(wěn)定可靠供電。

母船端監(jiān)控引導(dǎo)模塊（上位機(jī)）以母船端工控機(jī)為核心，搭載了遙控手柄模塊、數(shù)傳電臺、母船端視覺模塊、GPS 模塊、電子羅盤和尾滑道掛鉤信息采集模塊等六大子模塊。母船端工控機(jī)通過數(shù)傳電臺及母船端視覺模塊接收無人艇相對位置、姿態(tài)及圖像等信息，將無人艇的實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示在監(jiān)控軟件上。同時(shí)，采集母船端GPS、電子羅盤的位置、航向信息，完成無人艇回收路徑的動態(tài)規(guī)劃，并通過數(shù)傳電臺將母船的信息及相關(guān)控制指令發(fā)送給無人艇端自動控制模塊，引導(dǎo)無人艇更好地完成自主回收。

2 系統(tǒng)研制

2.1 無人艇端自動控制模塊

2.1.1 艇端控制器

艇端控制器是無人艇端自動控制模塊的核心，需要從導(dǎo)航定位系統(tǒng)中獲取無人艇的相對位置及姿態(tài)等信息；通過通信系統(tǒng)與母船端系統(tǒng)建立實(shí)時(shí)通信；通過對動力控制系統(tǒng)發(fā)動指令，控制柴油機(jī)油門大小、翻斗開度和噴泵出水口角度，調(diào)整無人艇的航行狀態(tài)。因此，艇端控制器需要有足夠的通信、控制接口來完成上述功能。此外，艇端控制器也是自主引導(dǎo)回收算法的載體，需要完成回收引導(dǎo)路徑跟蹤制導(dǎo)、航向航速控制等算法的計(jì)算，要求具有一定的計(jì)算能力。

2.1.2 導(dǎo)航定位系統(tǒng)

在無人艇自主引導(dǎo)回收過程中，結(jié)合GPS 及視覺導(dǎo)航定位的優(yōu)缺點(diǎn)，將整個(gè)回收區(qū)域分為遠(yuǎn)程GPS 引導(dǎo)回收區(qū)和近程視覺引導(dǎo)回收區(qū)。

在遠(yuǎn)程引導(dǎo)回收區(qū)域，通過GPS-RTK 技術(shù)采集無人艇相對位置、姿態(tài)等信息；通過路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)無人艇的自主導(dǎo)航。GPS-RTK 系統(tǒng)由基準(zhǔn)站和移動站組成，在自主引導(dǎo)回收系統(tǒng)中母船端作為基準(zhǔn)站，無人艇端作為移動站。母船端接收機(jī)和無人艇端接收機(jī)同時(shí)接收同一衛(wèi)星發(fā)射的GPS 信號，將母船端獲得的GPS 值與此處的位置信息進(jìn)行比較，便可得到一個(gè)差分更正數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)傳遞給無人艇端進(jìn)行差分運(yùn)算，從而得到無人艇精確的實(shí)時(shí)位置、角度等信息。

在近程回收區(qū)域，通過視覺模塊獲取無人艇實(shí)時(shí)狀態(tài)信息。視覺模塊采用類似于飛機(jī)光學(xué)輔助著陸的思想，在母船端和無人艇端分別安裝指示燈。通過雙方互看的機(jī)制，利用小孔成像的原理，將無人艇與母船的相對位置、姿態(tài)信息轉(zhuǎn)換為距離D、航向角 ψ和方位角θ，如圖2 所示。

圖2 無人艇自動回收相對坐標(biāo)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of relative coordinates for autonomous guidance and recovery of USV

視覺導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要分為母船端視覺模塊和無人艇端視覺模塊組成。在母船端和無人艇端視覺模塊中都以微型處理器為核心，采集搭載在云臺上的GoPro 場景相機(jī)和工業(yè)相機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過數(shù)傳電臺和圖傳模塊實(shí)現(xiàn)無人艇相對位置、姿態(tài)及圖像信息傳輸。經(jīng)試驗(yàn)測試，視覺導(dǎo)航定位系統(tǒng)的測距平均誤差為0.15%，最大角度誤差為1.5°。

2.1.3 動力控制系統(tǒng)

為滿足尾滑道回收的要求，選用一艘柴油動力艇，艇體采用深V 折角型，主要參數(shù)如表1 所示。

表1 無人艇主要參數(shù)表Tab. 1 Main parameters of USV

小艇采用噴水推進(jìn)系統(tǒng)[11]，柴油機(jī)輸出軸通過萬向軸與噴水推進(jìn)器相連，為其提供動力。操舵舵柄連接的液壓裝置可以控制翻斗的開度及噴泵出水口角度，在轉(zhuǎn)速不變的情況下，可輕松實(shí)現(xiàn)無人艇的倒車和轉(zhuǎn)向等功能。

無人艇動力控制系統(tǒng)，主要是針對柴油機(jī)油門大小、翻斗開度及噴泵出水口角度3 個(gè)對象進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)無人艇航向和航速的控制。利用軟軸將2 個(gè)電推桿分別與發(fā)動機(jī)油門拉桿、翻斗操作舵柄進(jìn)行連接，采用位移式拉桿對發(fā)動機(jī)油門和翻斗開度進(jìn)行控制。

在對噴泵出水口角度進(jìn)行控制時(shí)，采用液壓泵正反轉(zhuǎn)的方法。在噴水推進(jìn)器液壓系統(tǒng)中安裝可以正反轉(zhuǎn)的電動液壓泵，同時(shí)在液壓推桿的一側(cè)安裝舵角傳感器實(shí)現(xiàn)噴泵出水口角度的實(shí)時(shí)測量，配合完成無人艇舵角的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

2.1.4 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)主要用于無人艇與母船端系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信。在自主引導(dǎo)回收過程中，無人艇端需要通過通信系統(tǒng)獲取母船端的操作指令和實(shí)時(shí)狀態(tài)信息。同時(shí)，無人艇端也要向母船端回傳實(shí)時(shí)的狀態(tài)信息，便于母船端更好地監(jiān)控與引導(dǎo)無人艇實(shí)時(shí)回收狀態(tài)。無人艇端的通信系統(tǒng)主要由數(shù)傳電臺組成，工作在2.4 GHz頻段，有TTL 電平數(shù)傳接口和RS232 接口，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號的高速無線透傳，最大傳輸距離可達(dá)5 km。

2.1.5 電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)負(fù)責(zé)為無人艇各子模塊設(shè)備供電，主要分為控制電路和無人艇操作臺電路兩大部分，供電需求有24 V，12 V，5 V。在無人艇上安裝2 塊6-CQW-100 蓄電池作為電源，負(fù)責(zé)柴油機(jī)啟動、操作臺設(shè)備及控制系統(tǒng)設(shè)備等的供電。由于無人艇搭載了柴油機(jī)、噴泵等動力設(shè)備，當(dāng)柴油機(jī)啟停時(shí)，在控制電路中會有大電流產(chǎn)生，容易造成電源電壓的波動。而對于控制電路來說，電壓較大的波動會影響設(shè)備的正常工作。因此，在控制電路供電部分，分別采用了隔離穩(wěn)壓電源模塊，保證供給電子設(shè)備的電源電壓保持穩(wěn)定，在駕駛艙附近設(shè)置有電源總開關(guān)，經(jīng)過24 V 隔離穩(wěn)壓電源模塊后供給發(fā)動機(jī)、翻斗控制器、電動液壓泵。

2.2 母船端監(jiān)控引導(dǎo)模塊

2.2.1 無人艇引導(dǎo)回收中控臺

母船端監(jiān)控引導(dǎo)模塊（上位機(jī)）負(fù)責(zé)無人艇實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)測、無人艇回收路徑實(shí)時(shí)規(guī)劃及無人艇引導(dǎo)回收控制指令的發(fā)送。

2.2.2 無人艇引導(dǎo)回收中控軟件

完成上位機(jī)硬件設(shè)計(jì)后，基于C#軟件開發(fā)平臺編寫了無人艇自主引導(dǎo)回收控制軟件。無人艇上位機(jī)控制界面主要分為信息顯示區(qū)和按鍵操作區(qū)。信息顯示區(qū)主要包括：無人艇回收動態(tài)軌跡圖、母船端視頻圖像、無人艇端視頻圖像以及無人艇GPS 航行軌跡圖等圖像信息的顯示。此外，還包括無人艇狀態(tài)、GPS 慣導(dǎo)信息和圖像識別信息等數(shù)據(jù)的顯示。

3 試驗(yàn)測試

3.1 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

為驗(yàn)證所開發(fā)系統(tǒng)的可行性，在完成小艇的無人化改造后，開展無人艇自主引導(dǎo)回收系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)試驗(yàn)。首先對柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、翻斗開度及舵角角度的控制模型進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。將無人艇啟動，開到開闊的水面，分別輸入10 組不同的模擬控制量，然后記錄各控制量下發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、翻斗開度以及噴泵出水口角度的值。最終，可獲得控制量與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、翻斗開度以及舵角之間的關(guān)系曲線，如圖3 所示。

圖3 控制量關(guān)系曲線圖Fig. 3 Control quantity relationship curve

在此基礎(chǔ)上，在湖面上開展無人艇自主引導(dǎo)回收系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，主要包括：上下位機(jī)通信、導(dǎo)航定位、遙控以及手/自動模式切換等性能測試。試驗(yàn)測試結(jié)果表明，該無人艇自主引導(dǎo)回收系統(tǒng)運(yùn)行正常，具有較好的響應(yīng)性與穩(wěn)定性。

3.2 無人艇回轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)

為了進(jìn)一步測試無人艇的操控性能，在完成系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)后，在湖面開展了無人艇回轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)。將無人艇遠(yuǎn)程啟動，各系統(tǒng)正常初始化后，將無人艇開至開闊湖面。將無人艇控制模式切換為自動控制模式，將翻斗設(shè)定為全開狀態(tài)，設(shè)定不同的舵角值，分別給定不同的油門行程，測試無人艇在不同航速下的回轉(zhuǎn)軌跡。其中，在舵角為20°時(shí)不同航速下無人艇回轉(zhuǎn)軌跡如圖4 所示。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下回轉(zhuǎn)軌跡圖Fig. 4 Rotation trajectory diagram at different speeds

可以看出，改造后的無人艇在低速、中速、高速下都具有相對較好的回轉(zhuǎn)特性。不同航速下無人艇回轉(zhuǎn)曲線偏差的最大值及均方根值如表2 所示。數(shù)據(jù)可知，改造后的無人艇在中、高速時(shí)回轉(zhuǎn)特性較好，相對誤差可控制在10%之內(nèi)。

表2 不同航速下的回轉(zhuǎn)誤差分析表Tab. 2 Rotation error analysis table at different speeds

3.3 無人艇速度性能試驗(yàn)

為了測試改造后無人艇的加速性能及速度穩(wěn)定性，在湖面開展了無人艇速度性能試驗(yàn)。將無人艇遠(yuǎn)程啟動，各系統(tǒng)正常初始化后，將無人艇開至開闊湖面。將無人艇控制模式切換為自動控制模式，將翻斗設(shè)定為全開狀態(tài)，分別設(shè)定不同的目標(biāo)航速，測試無人艇在不同目標(biāo)航速下的加速響應(yīng)性及速度穩(wěn)定性，如圖5 所示。

圖5 不同目標(biāo)航速下速度運(yùn)行性能曲線Fig. 5 Speed operation performance curve at different target speeds

可以看出，改造后的無人艇在不同目標(biāo)航速下都具有相對較好的響應(yīng)特性與速度穩(wěn)定性。不同航速下無人艇的加速性能及航速穩(wěn)定性分析如表3 所示?？芍?，無人艇具有較好的響應(yīng)性與啟動加速性能，在10 s之內(nèi)均可達(dá)到目標(biāo)航速。當(dāng)目標(biāo)航速為1.5 m/s 時(shí)，無人艇航速最大偏差相對較大，而在其余目標(biāo)航速下無人艇航速最大偏差均可控制在10%以內(nèi)。此外，不同目標(biāo)航速下，無人艇平均航速偏差均可控制在5%以內(nèi)。上述結(jié)果表明，改造后的無人艇具有較好的航速穩(wěn)定性。

表3 不同目標(biāo)航速下誤差分析表Tab. 3 Deviation analysis table at different target speeds

3.4 無人艇自主引導(dǎo)回收模擬試驗(yàn)

為了驗(yàn)證無人艇自主引導(dǎo)回收性能，在完成系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及無人艇性能測試后，開展無人艇自主引導(dǎo)回收模擬試驗(yàn)。

分別從不同的初始位置和航向角開展無人艇引導(dǎo)回收模擬試驗(yàn)。無人艇引導(dǎo)回收軌跡線如圖6 所示，相應(yīng)的航向角變化如圖7 所示，無人艇引導(dǎo)回收性能分析如表4 所示。

表4 無人艇湖面自主引導(dǎo)回收試驗(yàn)記錄表Tab. 4 Records of the autonomous guidance and recovery of USV

圖6 無人艇自主引導(dǎo)回收系統(tǒng)湖面自主引導(dǎo)回收軌跡圖Fig. 6 The trajectory of autonomous guidance and recovery of USV

圖7 自主引導(dǎo)回收航向角變化曲線圖Fig. 7 Change of course angle for autonomous guidance and recovery of USV

從試驗(yàn)結(jié)果可知，不同初始位置及航向角，無人艇在引導(dǎo)回收過程中能迅速地與尾滑道中心線對中，并在回收過程中能與尾滑道保持較好的對中性能。在回收過程中，無人艇與兩浮標(biāo)中心點(diǎn)的最大橫向偏差為0.69 m，具有較好的控制精度。同時(shí)，能夠在3 min內(nèi)順利地完成自主引導(dǎo)回收，具有較好的回收效率。

4 結(jié) 語

本文基于無人艇回收要求，開展基于尾滑道的無人艇自主引導(dǎo)回收系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì)及各功能模塊的開發(fā)，最終完成了一套完整的無人艇自主引導(dǎo)回收系統(tǒng)的研制。通過湖面試驗(yàn)，對系統(tǒng)整體性能進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具有較好的響應(yīng)性、穩(wěn)定性及無人艇操控性能，能較好地滿足無人艇自主返航及引導(dǎo)回收的要求。