馮愛國，劉錫祥，吳 煒

（1.南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226010；2.東南大學(xué)微慣性儀表與先進(jìn)導(dǎo)航技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096）

水面無人艇導(dǎo)航與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

馮愛國1，劉錫祥2，吳 煒1

（1.南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226010；2.東南大學(xué)微慣性儀表與先進(jìn)導(dǎo)航技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096）

無人艇用于海面環(huán)境監(jiān)測、海難搜尋救助、通航秩序輔助管理、海洋權(quán)益保護(hù)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，尤其是對于沿海沿江復(fù)雜水域具有明顯的戰(zhàn)略發(fā)展意義。以現(xiàn)有無人或小型作業(yè)艇船體及動力設(shè)備為基礎(chǔ)，研究無人艇遙操作系統(tǒng)，包括岸基或母船控制臺、艇載設(shè)備驅(qū)動系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換等方面內(nèi)容，通過上位機(jī)海圖實(shí)現(xiàn)艇運(yùn)動路徑規(guī)劃，同時利用岸基或母船雷達(dá)及AIS獲取的艇周目標(biāo)信息提供在線避碰決策支持，根據(jù)無人艇采集的地理位置、航向姿態(tài)、航速及舵角等遠(yuǎn)程反饋數(shù)據(jù)產(chǎn)生對艇遙控指令，驅(qū)動無人艇上的車舵系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自由加減速、前進(jìn)、轉(zhuǎn)向與停車等操作。系統(tǒng)通過推理及仿真試驗(yàn)，表明控制基站與艇數(shù)據(jù)交換可靠，艇車舵系統(tǒng)能有效響應(yīng)遙指令，數(shù)據(jù)鏈路還能支持艇體搭載遠(yuǎn)程任務(wù)模塊。

雷達(dá)跟蹤，AIS，AHRS，串口與網(wǎng)絡(luò)通信，無人艇

0 引言

無人艇（Unmanned Surface Vehicle，USV）又被稱為水面無人艦艇，主要用于執(zhí)行危險以及不適于有人船只執(zhí)行的任務(wù)。一旦配備先進(jìn)的控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和打擊系統(tǒng)后，可以執(zhí)行多種任務(wù)，水面無人艇的操作方式主要包括自主導(dǎo)航、自動遙控和人工遙控等多種方式［1］。

目前，無人艇（USV）逐漸應(yīng)用于海面環(huán)境監(jiān)測、海上事故搜尋救助、海上交通疏導(dǎo)、協(xié)助維護(hù)海上交通秩序、近遠(yuǎn)程目標(biāo)識別與追蹤以及軍事應(yīng)用等領(lǐng)域。在一些復(fù)雜或危險環(huán)境，低成本實(shí)用型無人艇具有獨(dú)特的優(yōu)勢。無人艇制導(dǎo)研究主要包含：①基于海洋環(huán)境信息（電子海圖）的路徑規(guī)劃研究，有：柵格法、勢場法等對靜態(tài)障礙物避障［2-3］；②避碰方法研究，以雷達(dá)和AIS等獲取附近船舶信息，然后自動避碰或遙控避碰，如杜開君等研究了考慮避碰規(guī)則對不同碰撞局面下的危險船的規(guī)避方法，提出預(yù)留包圍體概念［4］。③數(shù)據(jù)鏈建立及運(yùn)動控制方法研究，低端無線遙控距離較短，鏈路亦不可靠，存在著小艇失控而無法回收的風(fēng)險。對于船艇自主導(dǎo)航的控制理論研究成果較多，但離產(chǎn)業(yè)化尚有距離。小型無人艇若自裝雷達(dá)，天線高度對雷達(dá)應(yīng)用及對艇操縱性能均有影響影響，考慮成本與實(shí)用性，以基站電子海圖設(shè)計(jì)航線、允許偏距及多邊形極限多邊形可航區(qū)域，以基站雷達(dá)與AIS探測動態(tài)障礙物，代艇計(jì)算目標(biāo)對艇的CPA、TCPA判斷碰撞危險并求解符合規(guī)則的避讓措施，以實(shí)際偏距為輸入偏差控制艇運(yùn)動軌跡，借鑒航海實(shí)踐設(shè)計(jì)仿人操作流程，由基站生成對艇車舵控制指令，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一類低成本水面無人艇遙控系統(tǒng)，并進(jìn)行了試驗(yàn)。

1 總體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主體部分包括：引導(dǎo)基站導(dǎo)航雷達(dá)與AIS、基站總控計(jì)算機(jī)、艇操縱指令裝置、操縱指令下位機(jī)、轉(zhuǎn)速及舵角儀表、遠(yuǎn)程艇載計(jì)算機(jī)、艇位、航向航速及艇姿傳感器、車舵驅(qū)動下位機(jī)、車舵響應(yīng)傳感器及下位機(jī)?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)流向示意圖

1.2 各模塊作用

①基站總控上位機(jī)：?航線設(shè)計(jì)及偏航閾設(shè)置模塊，基于電子海圖設(shè)定艇的計(jì)劃航線，給定偏航距離閾值，規(guī)劃極限多邊形可航水域；?雷達(dá)及AIS（自動識別系統(tǒng)）采集與融合模塊：通過雷達(dá)顯控單元內(nèi)的TRACK CONTROL和AIS接口一站式采集雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、雷達(dá)目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)（TT）、AIS目標(biāo)數(shù)據(jù)，獲取艇及艇周目標(biāo)的位置及運(yùn)動參數(shù)；雷達(dá)與AIS目標(biāo)數(shù)據(jù)融合模塊：利用位置與運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行目標(biāo)數(shù)據(jù)融合，設(shè)定雷達(dá)目標(biāo)與AIS目標(biāo)的偏離閾，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)與AIS目標(biāo)的時空對準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)歸一［6］；?偏航與碰撞危險判斷決策模塊，由基站AIS或網(wǎng)絡(luò)采集艇位置與運(yùn)動數(shù)據(jù)，監(jiān)控實(shí)際偏航距離，利用模塊2的艇周目標(biāo)及艇的位置與運(yùn)動數(shù)據(jù)，計(jì)算艇周目標(biāo)與艇的碰撞危險參數(shù)，若無碰撞危險，計(jì)算航跡保持指令，若有碰撞危險，利用假定航向、航速反推法，計(jì)算出合理的改向改速避讓措施［7］，并監(jiān)控艇位是否越出可航邊界；?控艇指令模塊，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車舵指令遠(yuǎn)程傳輸；?基站綜合顯示模塊：實(shí)現(xiàn)各參數(shù)數(shù)值、虛擬儀表顯示、局面態(tài)勢可視化的綜合顯示。②基站車鐘令、舵令、艇推進(jìn)轉(zhuǎn)速、舵角指示等硬件模塊：基站利用模塊仿實(shí)船操船裝置將遙控操船指令通過串口傳給總控上位機(jī)，同樣方式，艇轉(zhuǎn)速與舵角測量模塊由艇載上位機(jī)串口采集然后通過網(wǎng)絡(luò)回傳給總控上位機(jī)，上位機(jī)界面圖形顯示并驅(qū)動硬件模塊顯示；③TCP/IP或UDP協(xié)議下的基站與艇數(shù)據(jù)互傳模塊，實(shí)現(xiàn)移動4G網(wǎng)絡(luò)聊天室式的站艇數(shù)據(jù)互傳；④艇載工控機(jī)測控模塊：采集艇位置、航向、航速、艇姿態(tài)等參數(shù)回傳，接收基站總控上位機(jī)的遙控指令，解析后通過串口仿PELCO-D云臺控制協(xié)議實(shí)現(xiàn)對艇車舵驅(qū)動。系統(tǒng)工作流程如下頁圖2所示。

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的相關(guān)技術(shù)

2.1 IEC61162協(xié)議下的雷達(dá)與AIS引導(dǎo)參數(shù)采集、解碼與存取方案設(shè)計(jì)

雷達(dá)及AIS均有串行輸入輸出接口，雷達(dá)輸出雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息及目標(biāo)跟蹤信息。例：“S|RATTM，xx，x.x，x.x，a，x.x，x.x，a，x.x，x.x，a，c-c，a，a，a*hh＜CR＞＜LF＞”為標(biāo)準(zhǔn) NMEA0183 目標(biāo)跟蹤語句，“S|”表示句子開始，句塊依次表示：目標(biāo)編號、目標(biāo)距離、目標(biāo)方位、真/相對、目標(biāo)速度、目標(biāo)航向、真/相對、CPA（最近會遇距離）、TCPA（最近會遇時間）、航速單位、目標(biāo)名稱、目標(biāo)狀態(tài)、參考目標(biāo)、UTC。

圖2 無人艇航行路徑規(guī)劃與避障策略流程圖

同理，AIS輸出解碼后可獲得船舶的動靜態(tài)信息［6］，主要包含目標(biāo)船識別碼MMSI碼、航行狀態(tài)、轉(zhuǎn)向速率、對地航速、位置精度、經(jīng)度、緯度、對地航向、真航向等。雷達(dá)、AIS可由雷達(dá)內(nèi)部接口一站采集。

基站采集的艇及艇周移動目標(biāo)數(shù)據(jù)以“有則更新、無則添加”實(shí)時存儲到雷達(dá)目標(biāo)與AIS目標(biāo)數(shù)據(jù)庫，方法為：①數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)：含目標(biāo)編號、距離、方位、航速、航向字段；②數(shù)據(jù)庫連接與綁定：運(yùn)用SqlConnectionstring構(gòu)建系統(tǒng)與SQLServer的數(shù)據(jù)庫連接，運(yùn)用SqlDataAdapter及DataTable實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)綁定顯示；更新或添加的存儲操作：（MySQL="if not exists（select*from table where TGID="+paraID+"）insert RADAR （*）values（"+para1+"，"+para2+"，" …… "）"+"else update table set field1="+para1+"，field2="+para2…… where TGID="+TGIDU）；賦值變量以para表示。同理，可以隨后動態(tài)檢索艇參數(shù)和任意目標(biāo)的參數(shù)。

2.2 艇周目標(biāo)對艇碰撞危險評判算法及試操船方案求取

基站雷達(dá)與AIS采集到艇周目標(biāo)與艇的位置及航向、航速運(yùn)動參數(shù)（艇位置與運(yùn)動亦可由網(wǎng)絡(luò)傳回），即得無人艇位置（經(jīng)度、緯度）P：（λP，φP），目標(biāo)船位置（經(jīng)度、緯度）Q：（λT，φT），可以算得目標(biāo)對艇的方位、距離（B0，R0），篩選出近艇（距離小于設(shè)定值）目標(biāo)，然后判斷對艇碰撞危險，計(jì)算步驟如下［7］：

①計(jì)算移動目標(biāo)航速東向分量dVTX、北向分量dVTY（東為正，北為正）：如式（1）

②計(jì)算無人艇航速東向分量dVPX、北向分量dVPY：如式（2）

③計(jì)算移動目標(biāo)對艇的相對航向C、航速V：如式（3）

④計(jì)算移動目標(biāo)至最近會遇點(diǎn)的剩余距離SDCPA和所需時間 TCPA：如式（4）

⑤由式（5）計(jì)算目標(biāo)與艇的最近會遇距離DCPA：

剩余距離、時間表示緊迫程度，最近會遇距離表示對艇危險程度，若小于安全閾，系統(tǒng)報(bào)警并提示或給出參考避讓方案，方案算法與碰撞危險評判算法相同，即：以假定艇向與艇速參與代入上述計(jì)算，直至最近會遇距離大于設(shè)定閾。

2.3 艇位偏離及極限可航水域越界判斷算法

偏航及越界算法，設(shè)無人艇位置 P 為：（λP，φP），航線中的任一轉(zhuǎn)向點(diǎn)為 Pk：（λk，φk），預(yù)設(shè)航線中任一分段為式（6）：

越界判斷算法：可航多變形區(qū)域 S：（P1，P2，PN，P1），各邊函數(shù)構(gòu)建同式（6），以艇位置為起點(diǎn)構(gòu)建向南（向下）的射線（），多邊形只要邊不自交［7］，構(gòu)建射線與多邊形各邊交點(diǎn)數(shù)為奇數(shù)時，則艇位置在可航范圍內(nèi)，否則，出界，給出危險報(bào)警。具體算法：遍歷多邊形各邊，若代入該邊函數(shù) lk，解得 λP映射解 φkP，若 φkP≤φP，判斷有交點(diǎn)，并得交點(diǎn)坐標(biāo)（λP，φkP），交點(diǎn)計(jì)數(shù)變量加 1；其余情況均判斷無交點(diǎn)；累計(jì)交點(diǎn)為奇數(shù)，判定艇在界內(nèi)，反之越界。

2.4 舵令、車令給出及車舵響應(yīng)位置測量設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)交換

舵令及舵角反饋采集：采用絕對式光電旋轉(zhuǎn)編碼器，利用STC89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)舵令或舵角采集電路如圖3，實(shí)現(xiàn)碼盤角度直接數(shù)字化輸出，輸出數(shù)據(jù)的典型格式為格雷碼，絕對編碼器輸出的每一位有一個獨(dú)立的碼道。碼道數(shù)目決定了編碼器的分辨力。一個n位的碼盤，它的分辨角度為α=360°/2n，顯然，n越大，能分辨的角度就越小，角位移測量也就越精確［6］。兼顧舷角采集、數(shù)字處理的夠用與復(fù)雜度，擬選用10位格雷碼輸出絕對編碼器，角度分辨力達(dá)0.35°。艇上推進(jìn)器油（電）門搖柄位置反饋采集方法相同。類似角位置采集亦可采用滑阻式或旋轉(zhuǎn)變壓器式角度傳感器。

跨網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換：基站：固定IP，艇裝備：移動4G路由器，接入Internet后，以UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)群聊式雙向數(shù)據(jù)交換［9-10］。具體步驟為：

①定義UDP用戶UdpClient；

②定義并指定群IP地址 IPAddress變量groupAddress；

③定義本地端口號localPort及遠(yuǎn)程端口號re motePort；

④定義入群計(jì)數(shù)變量ttl；

⑤定義遠(yuǎn)程終結(jié)點(diǎn)IPEndPoint變量remoteEP；

⑥使用JoinMulticastGroup方法將UdpClient加入到指定IPAddress的多路廣播群；

⑦啟動UdpClient的端口偵聽看到加入“群聊”的用戶，同時發(fā)送自身信息加IP地址作為對方遠(yuǎn)程地址給入群用戶；

⑧啟動定時發(fā)送，發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)化傳感器采集報(bào)文或遙指令報(bào)文在群內(nèi)廣播，群用戶根據(jù)報(bào)文所含地址確定信息是否為使能數(shù)據(jù)。

信息格式為：控制基站：“S|Remote，＜1＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞*hh”，＜1＞ 艇號地址碼，＜2＞ 推進(jìn)器指令，＜3＞ 舵令，＜4＞ 操控模式（A：自動，M：手動，S：自適應(yīng)），hh：異或和校驗(yàn)值；艇回傳信息：

“S|Bback，＜1＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞，＜5＞，＜6＞，＜7＞，＜8＞，＜9＞，＜10＞，＜11＞，＜12＞，＜13＞，＜14＞，＜15＞，＜16＞*hh”，＜1＞ 艇號，＜2＞UTC，＜3＞ 推進(jìn)器控制位，＜4＞ 舵角，＜5＞ 航行模式，＜6＞ 艇經(jīng)度，＜7＞ 艇緯度，＜8＞ 定位狀態(tài)，＜9＞ 對地航速，＜10＞ 對地航向，＜11＞ 艇緯度，＜12＞ 定位狀態(tài)，＜13＞ 對地航速，＜14＞ 艇航向，＜15＞縱搖角，＜16＞橫搖角，hh：異或和校驗(yàn)值。

圖3 車舵指令及反饋數(shù)據(jù)測量裝置圖

2.5 艇收令后使能實(shí)現(xiàn)

艇站收到基站傳來的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文后，要車指令及舵令與推進(jìn)器推桿反饋及舵角反饋值比較，當(dāng)存在偏差時，生成驅(qū)動艇車舵裝置的執(zhí)行指令通過串口向舵角電機(jī)、推進(jìn)桿電機(jī)控制板發(fā)送。艇舵角和推進(jìn)油（電）門位置（δ-舵角，θ-推桿角），驅(qū)動舵及油門開度方法借鑒監(jiān)控云臺控制技術(shù)，機(jī)電控制板卡以云臺內(nèi)控制板進(jìn)行功率改造，仿云臺PELCO-D協(xié)議實(shí)現(xiàn)收令后響應(yīng)使能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)字化隨動［11］。

為快速響應(yīng)及防止超調(diào)，舵轉(zhuǎn)速及搖桿轉(zhuǎn)速通過數(shù)字PID控制模型給值，簡單描述：即偏差越大時電機(jī)給定轉(zhuǎn)速快，反之則慢，由于一般舵裝置及用車搖柄自身阻尼特性較好，控制系統(tǒng)中慣性環(huán)節(jié)考慮省略。增量控制法得系統(tǒng)輸出如式（8）：

以舵角為例，設(shè)t時刻第k次采樣給定舵令值δc，舵角反饋 δ，偏差輸入 e（k）=（δc-δ）/30，PID 控制輸出為 u（k）（u（k）∈［0，1］），轉(zhuǎn)舵控制指令十進(jìn)制數(shù)據(jù)為：u（k）*64，十進(jìn)制轉(zhuǎn)十六進(jìn)制即為轉(zhuǎn)舵電機(jī)速度指令［9］。

3 遠(yuǎn)程引導(dǎo)SUV系統(tǒng)搭建及仿真測試結(jié)果

基站由MDC-1820雷達(dá)一站采集艇周目標(biāo)船及無人艇位置與運(yùn)動數(shù)據(jù)，無人艇車舵及位姿與運(yùn)動數(shù)據(jù)同時通過網(wǎng)絡(luò)采集。PELCO-D協(xié)議下舵角及推進(jìn)搖柄驅(qū)動電機(jī)控制速度指令為00～3F對應(yīng)0～64級，舵角偏差大于 5°及搖柄偏差大于 3°時，均輸出為最大值3F；二者小于5°及3°時，由PID控制模塊根據(jù)偏差計(jì)算并輸出00～3F驅(qū)動速度。數(shù)據(jù)采集交換、驅(qū)動及雷達(dá)、海圖態(tài)勢的監(jiān)控效果如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)交換顯示平臺及圖形化監(jiān)控效果

4 結(jié)論

本文提出并實(shí)現(xiàn)了一類水面無人艇導(dǎo)航與控制遙操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)針對無人艇的實(shí)際航行與避障需求，將系統(tǒng)功能具體劃分4個模型，并給出了具體實(shí)現(xiàn)過程。系統(tǒng)以基站電子海圖與雷達(dá)、AIS規(guī)劃艇運(yùn)動路徑及實(shí)現(xiàn)在線避碰支持，可以避免貴重航海設(shè)備的在艇風(fēng)險，也可以輕簡艇載計(jì)算機(jī)程序，避免過多的線程帶來軟件陷阱，運(yùn)用多邊形可航區(qū)域識別能有效防止艇位越界。系統(tǒng)后續(xù)應(yīng)加強(qiáng)基站路徑規(guī)劃及預(yù)設(shè)可航邊界在離艇前傳入艇載計(jì)算機(jī)，以便一旦離線實(shí)現(xiàn)艇上自主導(dǎo)航，同時應(yīng)考慮利用艇載AIS設(shè)計(jì)有限的離線自動避讓算法，考慮艇操縱特性，還需加強(qiáng)越界預(yù)測，此外，應(yīng)加強(qiáng)通信鏈路的可靠性設(shè)計(jì)，一旦離線失控，尚需啟動輔助信號顯示及設(shè)計(jì)保持安全艇位的方法。

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Design of Unmanned Vehicle Navigation Remote Control System

FENG Ai-guo1，LIU Xi-xiang2，WU Wei1
（1.Nantong Shipping College，Nantong 226010，China；2.Key Laboratory of Micro-inertial Instrument and Advanced Navigation Technology，Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096，China）

In order to solve the problem that traditional video monitoring system only can monitor a certain fixed area，unable to cover the whole or associated surveillance field ，a intelligent video monitoring system based on RADAR or AIS source localization is proposed in this paper.RADAR or AIS parameter is used to locate targer signals，then the local and remote CMOS camera are drived to monitor guide position and a series of actions such as active objects recognition，video surveillance，alarm are executed.The hardware and software configurations and design of flow are introduced.Finally，the simulation result is also given in this paper.

RADAR tracking，AIS，AHRS，serial and network communication，USV

TP277

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.08.034

1002-0640（2017）08-0150-05

2016-06-20

2016-08-14

江蘇省高校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)基金；江蘇省“333工程”（第三層次）科研基金（BRA2014312）；南通市科技計(jì)劃研究基金（BK2014031）；江蘇交通科研基金資助項(xiàng)目（2011C04-11）

馮愛國（1970- ），男，江蘇如東人，碩士，副教授。研究方向：航海技術(shù)及智能化航海儀器。