周志杰，徐海祥，2

(1.高性能船舶技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430063；2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063)

水面無人艇自主跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周志杰1，徐海祥1，2

(1.高性能船舶技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430063；2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063)

基于國(guó)內(nèi)的研究主要集中在單艇作業(yè)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制算法上，為了使無人艇能夠?qū)崿F(xiàn)自主跟蹤領(lǐng)航船，與領(lǐng)航船實(shí)現(xiàn)多艇協(xié)同作業(yè)的功能，從系統(tǒng)體系構(gòu)架、控制流程等方面分別對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果顯示：設(shè)計(jì)的跟蹤系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自主跟蹤的功能。

水面無人艇；自主跟蹤；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；多艇作業(yè)

0 引言

水面無人艇是一種小型智能船舶，具有水線以上雷達(dá)反射面積小，智能化程度高，密集搭載多功能傳感器等特點(diǎn)[1-2]。在不同的領(lǐng)域，無人艇可以用于完成不同的任務(wù)：民用方面，無人艇可用于實(shí)現(xiàn)海事管理、海上搜救、水文探測(cè)等功用；軍用方面，水面無人艇可用于實(shí)現(xiàn)水面?zhèn)刹?、水面作?zhàn)、反潛作戰(zhàn)等功能[3]。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其高度關(guān)注，并開展系列相關(guān)研究。近年來，我國(guó)在無人艇方面的研究不斷取得成果，尤其是在無人艇的路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制、建模與仿真等方面已有較多論文發(fā)表[4-6]，然而這些研究主要集中在算法及策略上。雖然也有在無人艇體系搭建方面的論文發(fā)表[7]，但這些體系主要是針對(duì)單艇作業(yè)而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，鮮有學(xué)者針對(duì)多艇作業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)系統(tǒng)。

隨著無人艇技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)其功能的需求也越來越高，許多任務(wù)依靠單艇很難完成，往往需要多艘艇的合作完成。目前，無人艇編隊(duì)的研究同樣受到高度的關(guān)注，其要求主要是編隊(duì)中的跟隨艇跟隨領(lǐng)航艇航行[8]。其中領(lǐng)航艇可以為自主航行的無人艇，也可以為手動(dòng)駕駛的非智能船舶。

本文對(duì)無人艇自主跟蹤的功能進(jìn)行簡(jiǎn)化以方便研究，即以一艘自主航行的小型無人艇為研究對(duì)象，使其實(shí)現(xiàn)自主跟蹤一艘手動(dòng)遙控船舶的功能。其基本思想為通過組建船間網(wǎng)絡(luò)，自主跟蹤的無人艇可以從中獲取遙控船每個(gè)時(shí)刻的位置點(diǎn)，然后以這些位置點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)航行，同時(shí)通過對(duì)遙控船的速度進(jìn)行估計(jì)，控制航行速度以保持兩船間距相對(duì)穩(wěn)定。本文旨在設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崿F(xiàn)自主跟蹤功能的小型水面無人艇跟蹤系統(tǒng)。

1 無人艇硬件體系搭建

體系結(jié)構(gòu)涵蓋范圍較廣。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST) 對(duì)體系結(jié)構(gòu)的定義為：體系結(jié)構(gòu)作為一種架構(gòu)，包括對(duì)組成部分的標(biāo)識(shí)、定義和組織，彼此之間的相互關(guān)系、設(shè)計(jì)原理、子系統(tǒng)的任務(wù)功能以及子系統(tǒng)之間的接口協(xié)議規(guī)范[9]。無人艇作為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，未來更是向著智能化、模塊化和集成化發(fā)展，為了能夠盡快制造出可以實(shí)際應(yīng)用的無人艇，對(duì)其研究應(yīng)該運(yùn)用系統(tǒng)工程的研究方法[10-11]，然而體系結(jié)構(gòu)的搭建需要了解設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)的功能需求。根據(jù)自主跟蹤的需求，將無人艇的體系結(jié)構(gòu)分為硬件體系結(jié)構(gòu)和軟件體系結(jié)構(gòu)，而軟件體系的設(shè)計(jì)需要根據(jù)制定的控制流程，因此設(shè)計(jì)前期體系結(jié)構(gòu)搭建主要集中在硬件體系結(jié)構(gòu)的搭建。

硬件體系結(jié)構(gòu)又稱物理架構(gòu)，通俗地說就是為了實(shí)現(xiàn)某些功能必需的硬件集合。采用模塊化設(shè)計(jì)，可以提高系統(tǒng)的開發(fā)效率，降低開發(fā)成本。根據(jù)無人艇的任務(wù)需求按照即插即用的原則設(shè)計(jì)相應(yīng)的任務(wù)模塊，可以實(shí)現(xiàn)無人艇功能模塊的快速開發(fā)和調(diào)試[12-13]。

根據(jù)功能需求，可以將水面無人艇的組成硬件分為以下幾個(gè)模塊：船體模塊、動(dòng)力模塊、通信模塊、定位模塊及控制模塊。

(1)船體模塊的設(shè)計(jì)影響的是無人艇的水動(dòng)力性能，船型可以根據(jù)無人艇所需要完成的功能進(jìn)行選取。在跟蹤系統(tǒng)中，船型的選取是根據(jù)母船的航速?zèng)Q定的，即母船為高速船時(shí)無人艇的艇型為高速艇艇型；母船為低速船時(shí)無人艇的艇型為低速艇型。由于本文被跟蹤的對(duì)象為遙控高速船，故搭建的無人艇采用高速艇艇型，其模型圖如圖1所示。

(2)動(dòng)力模塊主要用于推進(jìn)無人艇航行，其主要包括能源模塊和推進(jìn)模塊。由于無人艇的容量及空間有限，其能源供給不可能采用發(fā)電機(jī)等較大的供電設(shè)備，因此通常的能源模塊主要由蓄電池組構(gòu)成。隨著綠色船舶概念的提出，許多學(xué)者將太陽能風(fēng)能等自然能源引入作為無人艇的動(dòng)力能源，大大增加了其續(xù)航力。推進(jìn)模塊的選取大多取決于對(duì)航速及操縱性的要求。由于跟蹤系統(tǒng)對(duì)操縱性的要求與對(duì)航速的要求同等重要，因此許多無人艇的設(shè)計(jì)采用噴水推進(jìn)模式，然而噴水推進(jìn)成本相對(duì)較高[14]。為了方便研究，控制系統(tǒng)采用雙槳雙舵的推進(jìn)模塊，其模塊圖如圖2所示。

(3)在自主跟蹤系統(tǒng)中，通信模塊主要用于母船、無人艇及岸基系統(tǒng)之間的通信。從自主跟蹤的基本思想可知，其功能的前提主要是進(jìn)行船間組網(wǎng)，而船間組網(wǎng)主要依靠的是通訊模塊，因此通信模塊的設(shè)計(jì)非常重要?？紤]到無人艇的工作環(huán)境，設(shè)計(jì)采用衛(wèi)星通信、超短波通信和微波通信組合通信的方式[15]。超短波和微波設(shè)備通信距離有限，主要用于視距范圍內(nèi)的通信。超出視距范圍的遠(yuǎn)距離通信采用衛(wèi)星通信。近海覆蓋3G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的水域可以利用3G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，也可以通過布設(shè)無線網(wǎng)絡(luò)在近岸水域作為備用的通信方式。本文搭建采用功耗低且安全可靠的ZigBee模塊，其模塊圖見圖3。

(4)定位模塊在自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中扮演著不可或缺的角色。因?yàn)樽詣?dòng)跟蹤首先需要獲取母船及無人艇的位置信息方才進(jìn)行控制。通常定位模塊采用的是GPS模塊，然而定位模塊的定位精度很大程度上影響跟蹤的最終效果，因此采用精度較高的定位模塊是非常重要的。而GPS在較小區(qū)域范圍內(nèi)的精度有限，為滿足系統(tǒng)的精度要求，本次搭建采用小區(qū)域范圍定位精度較高的UWB(Ultra Wide Band)模塊，其模塊圖如圖4所示。

(5)控制模塊為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，主要包括輸入輸出子模塊、電源子模塊和CPU子模塊。其中CPU子模塊用于控制算法的執(zhí)行，故而控制模塊的設(shè)計(jì)主要考慮控制算法的復(fù)雜度。本文搭建采用嵌入式集成系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)平臺(tái)，其外形圖如圖5所示。

綜上所述，設(shè)計(jì)出滿足自動(dòng)跟蹤功能需求的硬件體系結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2 控制流程

整個(gè)控制流程大致分為三部分：數(shù)據(jù)處理模塊、控制模塊以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊?？刂撇捎醚h(huán)控制，其中一個(gè)周期的控制流程如圖7所示。

自主跟蹤無人艇通過通信模塊獲取母船及自身的位置信息，其中的位置信息為廣義位置信息，包括大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值以及艏向角。然而獲取得到的信息包含有噪聲項(xiàng)(測(cè)量值與真實(shí)值之間的誤差)，必須進(jìn)行一定的處理，即為數(shù)據(jù)處理模塊。處理后的信息作為控制算法的輸入，得到的結(jié)果為跟蹤所需的推力和力矩。然后將計(jì)算得到的值作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入。執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)計(jì)算結(jié)果控制自主跟蹤無人艇做出響應(yīng)。

2.1數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理的目的是對(duì)傳感器獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，使其與真實(shí)值盡可能的接近，以免產(chǎn)生較大的誤差。數(shù)據(jù)處理模塊的流程圖如圖8所示。

數(shù)據(jù)處理可分為數(shù)據(jù)預(yù)處理及濾波兩部分，而數(shù)據(jù)預(yù)處理包括野值剔除、時(shí)間對(duì)準(zhǔn)及空間對(duì)準(zhǔn)三部分。經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)理論告知，即使是高質(zhì)量的原始采樣數(shù)據(jù)，由于受多種偶然因素的影響，往往包含有較大的隨機(jī)誤差，有時(shí)1%～5%甚至多達(dá)10%～20%的數(shù)據(jù)嚴(yán)重偏離目標(biāo)真值，從而成為野值或稱為異常值[16]。這些野值的存在會(huì)影響后續(xù)控制算法的精確性，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致自主跟蹤失敗，因此對(duì)于原始測(cè)量數(shù)據(jù)首先需要進(jìn)行野值的剔除以保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性。由于領(lǐng)航艇及跟隨艇上各配備多個(gè)(種)傳感器對(duì)位置進(jìn)行測(cè)量，而各傳感器測(cè)量時(shí)間及測(cè)量周期各不相同，因此需要對(duì)所有測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)處理，否則會(huì)導(dǎo)致跟隨艇與領(lǐng)航艇的跟蹤出現(xiàn)時(shí)間錯(cuò)位的現(xiàn)象，同樣會(huì)導(dǎo)致跟蹤失敗。除了時(shí)間上需要對(duì)準(zhǔn)之外，還需要進(jìn)行空間上的對(duì)準(zhǔn)，以保證母船與無人艇在同一坐標(biāo)系中運(yùn)動(dòng)。預(yù)處理之后的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行濾波處理，目的是濾除高頻干擾信號(hào)，以提高跟蹤精度。

2.2控制子模塊

控制算法模塊的任務(wù)是由獲取的廣義位置信息根據(jù)一定的規(guī)律計(jì)算得到所需要的推力和力矩，而在目標(biāo)跟蹤中這種規(guī)律又稱為引導(dǎo)律。Fossen[17]將目標(biāo)跟蹤的引導(dǎo)律分為三類，其分類圖如圖9所示。

第一類又稱為航跡控制，已知目標(biāo)的航跡，要求跟蹤船按照目標(biāo)船的航跡航行，這一類控制目前廣受國(guó)內(nèi)學(xué)者關(guān)注。而針對(duì)這一類情況國(guó)內(nèi)外研究較為成熟的引導(dǎo)律為L(zhǎng)OS(Line of Sight)引導(dǎo)律及在其基礎(chǔ)上的改進(jìn)。第二類為定點(diǎn)跟蹤，即已知的信息為目標(biāo)船的位置，要求跟蹤船以目標(biāo)船的位置為目標(biāo)點(diǎn)實(shí)時(shí)跟蹤，這也是本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能。第三類為跟蹤攔截，需要知道目標(biāo)船的位置及航速等信息，這一類問題更加復(fù)雜，本文不做詳細(xì)分析。

根據(jù)功能需求，控制算法的基本思想采用PID控制的基本思想，即以目標(biāo)船位置與跟蹤船位置的距離作為控制的輸入，輸出即為所需要的推力和力矩大小。然而與傳統(tǒng)的PID算法不同的是，傳統(tǒng)PID旨在以最快的速度減小偏差，而對(duì)于跟蹤問題，需要對(duì)兩船的間距進(jìn)行控制，即需要對(duì)兩船的速度進(jìn)行約束，避免他們之間的距離太近或太遠(yuǎn)。設(shè)計(jì)的控制模塊的流程圖如圖10所示。

2.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊

由控制子模塊的控制算法計(jì)算得到的推力和力矩是無法直接控制螺旋槳和舵的，需要進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。例如將需要的推力轉(zhuǎn)化成螺旋槳所需要的轉(zhuǎn)速；將所需要的力矩進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到舵角的大小等。具體流程圖如圖11所示。

3 無人艇軟件體系搭建

無人艇的軟件體系為其控制核心，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響控制效果。為設(shè)計(jì)較為優(yōu)良的軟件體系，需根據(jù)前面設(shè)計(jì)的控制流程圖對(duì)軟件體系進(jìn)行搭建。本文以應(yīng)用較為廣泛的C語言為例，從軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、編譯環(huán)境搭建及體系框架設(shè)計(jì)三部分對(duì)軟件體系進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

C語言設(shè)計(jì)初，都需要對(duì)要設(shè)計(jì)的程序繪制一個(gè)流程圖，又稱框架流程圖。與控制流程圖不同的是，框架流程圖可以直接指導(dǎo)程序的編寫工作，而控制流程圖只能給出整體的控制思路。

水面無人艇編隊(duì)系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)是為了監(jiān)控硬件系統(tǒng)，因此可以將軟件系統(tǒng)分為岸基監(jiān)控系統(tǒng)和艇體控制系統(tǒng)。其中艇體控制軟件程序?yàn)楦S艇控制的核心部分，承擔(dān)著無人艇數(shù)據(jù)的采集和處理、數(shù)據(jù)傳輸和控制無人艇運(yùn)動(dòng)等任務(wù)[18]。而岸基監(jiān)控系統(tǒng)主要是輔助軟件，包括無人艇航跡顯示界面、無人艇遙控系統(tǒng)等，無人艇編隊(duì)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖12 所示。

3.2編譯環(huán)境搭建

為減小ARM板的運(yùn)算量，ARM板中系統(tǒng)采用較為普遍的Linux系統(tǒng)。然而這樣會(huì)導(dǎo)致在Windows平臺(tái)下編寫的程序無法運(yùn)行，因此需要采用交叉編譯器對(duì)編寫的程序進(jìn)行編譯。本文采用arm-linux-gcc編譯器對(duì)程序進(jìn)行編譯。為了更方便進(jìn)行調(diào)試工作，本文采用Linux系統(tǒng)下的eclipse軟件進(jìn)行程序的編寫并編譯工作，然后將編譯后的可執(zhí)行文件拷貝至開發(fā)板中運(yùn)行。

3.3體系框架設(shè)計(jì)

由于跟蹤控制采用的主體核心硬件為嵌入式集成系統(tǒng)，因此軟件框架不能設(shè)計(jì)得太過復(fù)雜，避免由于計(jì)算量過大而導(dǎo)致開發(fā)板無法運(yùn)行完程序。由于自動(dòng)跟蹤控制采用多種傳感器，需要實(shí)時(shí)接收傳感器發(fā)送來的數(shù)據(jù)，而且由于傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)的頻率各不相同，因此僅靠一個(gè)線程比較難完成，所以采用多線程設(shè)計(jì)。

軟件框架大體上分四個(gè)線程完成。

(1)監(jiān)控線程：主要負(fù)責(zé)控制監(jiān)測(cè)其他線程的運(yùn)行狀況。

(2)讀數(shù)據(jù)線程：主要負(fù)責(zé)讀取、解包、存儲(chǔ)傳感器的數(shù)據(jù)。然而由于不同的傳感器可能有不同的收發(fā)頻率，用同一個(gè)線程完成讀取可能會(huì)發(fā)生通訊沖突，因此可以設(shè)計(jì)多個(gè)讀線程分別處理。本跟蹤系統(tǒng)包含ZigBee讀線程和UWB讀線程。

(3)主線程：類似于一個(gè)main函數(shù)，主要負(fù)責(zé)主控制算法的計(jì)算與執(zhí)行。

(4)寫線程：主要負(fù)責(zé)將指令發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

各線程間可能有公用的變量，因此采用共享資源的方式對(duì)這些公用的變量進(jìn)行存儲(chǔ)。為防止對(duì)這些變量同時(shí)進(jìn)行讀寫時(shí)的沖突，可采用互斥變量以保證各線程之間的同步運(yùn)行。軟件系統(tǒng)框架圖如圖13所示。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的自主跟蹤系統(tǒng)的跟蹤性能，采用模型試驗(yàn)的方式進(jìn)行。

模型試驗(yàn)中的領(lǐng)航艇采用可遙控的高速競(jìng)速艇艇型，其模型圖如圖14所示。通過遙控領(lǐng)航艇，觀察跟隨艇的航行軌跡，以判斷其跟蹤性能。

為觀察跟隨艇的航行情況，采用其裝備的UWB定位模塊航跡顯示軟件，顯示領(lǐng)航艇和跟隨艇的航跡及它們之間的航跡偏差，其航跡顯示及實(shí)際航行如圖15所示。由圖15可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)領(lǐng)航艇開始轉(zhuǎn)艏運(yùn)動(dòng)時(shí)，跟隨艇能夠很好地跟蹤領(lǐng)航艇保持編隊(duì)隊(duì)形。因此可以驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的跟蹤系統(tǒng)具有較好的跟蹤性能。

5 結(jié)語

本文針對(duì)需要實(shí)現(xiàn)自主跟蹤功能的無人艇的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要集中在硬件體系、軟件體系及控制流程的設(shè)計(jì)，并通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)具有較好的跟蹤性能。由于本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)實(shí)際的跟蹤需要改變系統(tǒng)的局部模塊，因此該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的普遍適用性。自主跟蹤系統(tǒng)是無人艇編隊(duì)控制至關(guān)重要的部分，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)達(dá)到了編隊(duì)隊(duì)形保持，跟隨艇自主跟蹤的目的，為無人艇編隊(duì)控制提供了很好的系統(tǒng)平臺(tái)。

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U664.82

A

2017-03-09

周志杰(1995—)，男，碩士研究生，主要從事智能船舶系統(tǒng)設(shè)計(jì)、多傳感器融合、傳感器數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域的研究；徐海祥(1975—)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)楹Ｑ髣?dòng)力定位系統(tǒng)開發(fā)、智能船舶系統(tǒng)研發(fā)等。