張少明 崔 浩 梁家銓 蔣祖星

（1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣州 510800）（2.廣東省船舶自動化工程技術(shù)研究中心 廣州 510800）

1 引言

運(yùn)載工具的智能駕駛技術(shù)作為一個新興的技術(shù)得到了社會的廣泛關(guān)注，相對于蓬勃發(fā)展的無人機(jī)技術(shù)，無人船技術(shù)則嚴(yán)重滯后。我國有著豐富的海岸線與海河水域，無人船技術(shù)及其產(chǎn)品具有廣闊的市場前景，目前僅極少數(shù)企業(yè)在進(jìn)行針對水質(zhì)監(jiān)測和水底測繪方面的無人船產(chǎn)品研制。隨著國家海洋戰(zhàn)略和海洋防污染方面的國際公約和強(qiáng)制法規(guī)的實(shí)施，無人船在海面污染狀況監(jiān)測與清污作業(yè)、水面遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)、特殊海洋環(huán)境作業(yè)等領(lǐng)域?qū)⒕哂胁豢晒懒康纳鐣?jīng)濟(jì)價值［1］。

本文運(yùn)用PLC技術(shù)設(shè)計和制作了小型無人船舶及其智能控制系統(tǒng)，并通過航行試驗(yàn)驗(yàn)證了技術(shù)可行性。通過加裝智能傳感器、無線透傳、GPS定位和視頻監(jiān)控等功能模塊及大數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)船岸信息通訊、無人船智能控制、自動巡航運(yùn)算，海面污染狀況監(jiān)測、海上急救物資輸送、海洋特殊環(huán)境作業(yè)等功能［2］。

2 方案設(shè)計

2.1 目標(biāo)

實(shí)現(xiàn)智能航行，智能航行系指利用計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)等對感知和獲得的信息進(jìn)行分析和處理，對船舶航路和航速進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化；航行時，借助岸基支持中心，船舶能在開闊水域、狹窄水道、復(fù)雜環(huán)境條件下自動避碰，實(shí)現(xiàn)自主航行［3］。

實(shí)現(xiàn)一對多的上位機(jī)控制方式，若采用無線透傳的近距離遙控模式，采用信道管理方式，通過不同頻率的通道管理各無人船，最多可達(dá)64艘船舶，如圖1所示。

2.2 功能與硬件

主要功能：以PLC控制為核心，操控調(diào)節(jié)二臺直流吊艇電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行無人船航速與航向操控，實(shí)現(xiàn)基本水面溫度、水深等一般水文測量，完成活動水面油污抽取檢測裝置設(shè)計，即15ppm海面油污信號采集［4］；通過PLC的RS485端口連接的433MHz～480MHz無線透傳傳輸模塊［5］作為主要通信模式組合4G網(wǎng)絡(luò)模塊相結(jié)合的遙控技術(shù)并配置BaiduGIS定位模塊；力控組態(tài)完成上位機(jī)人機(jī)界面與后臺數(shù)據(jù)庫管理，運(yùn)用其策略組運(yùn)算進(jìn)行自主航行計算；實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控與自主航行功能的小型無人船舶。

方案省去了檢測船舶航向的羅經(jīng)設(shè)備和控制船舶航向的操舵設(shè)備，采用雙艇外直流電機(jī)提供動力，并通過調(diào)節(jié)雙電機(jī)轉(zhuǎn)速操縱船舶轉(zhuǎn)向控制。訂制長度1.4m船模，具備防水防撞防磨損裝置，船體帶有警燈、警報器等警示、視頻監(jiān)控裝置及避障系統(tǒng)，采用閉孔泡沫填充、全封閉防水和上下隔艙等防沉設(shè)計，擁有一定船艙空間，12V直流有刷吊艇電機(jī)，1800轉(zhuǎn)/min，額定電流20A，12V鋰電池2組供電，滿足一定的續(xù)航能力。

3 PLC端口與程序

選用可編程控制器定制國產(chǎn)PLC：ZK2N-32MR-11AD-2DA，32路開關(guān)量輸入/出端口，11路A/D輸入端口可接標(biāo)準(zhǔn)（0～10V）電信號傳感器，2路D/A端口控制2臺直流電機(jī)，另外4路100KHz高速輸入端口X0～X3可作為脈沖式傳感器使用，預(yù)留一定的擴(kuò)展端口。根據(jù)PLC各端口的類型與功能，合理分配其輸入輸出端口。其中RS485端口接無線傳輸模塊，編程口為RS232，編程方式參考三菱，PLC端口與寄存器使用分配如表1和表2。

表1 PLC輸入/輸出端口分布表

表2 PLC寄存器引用參數(shù)表（部分）

PLC內(nèi)部使用D20與D21寄存器作為電機(jī)調(diào)速輸出，其范圍值為16位二進(jìn)制數(shù)（0～4095）對應(yīng)0～10V的D/A輸出，而電機(jī)調(diào)整模塊僅為0～5V調(diào)速范圍控制，運(yùn)算取值范圍0～2000。

RS485串口通訊參數(shù)在D8120設(shè)置，PLC運(yùn)行后生效（stop時D8120復(fù)位為0），MODBUS-RTU從站站號在D8121設(shè)置（范圍：1～255）；設(shè)0號無人船為主站，其余為從站，從站數(shù)據(jù)先送至主站PLC寄存器，再由上位機(jī)讀?。?］。

D20與D21寄存器數(shù)據(jù)讀取程序以及主站D120讀寫1號從站D20寄存器程序如下：

Ldm8000

Wr3a K0D0D20 &&把16位D20寫出至K0通道直流電機(jī)調(diào)速器，D0是為下限數(shù)；

Wr3a K1D0D21 &&DA輸出通道K1，三菱FX1N僅為8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，此為16位。

FROM H301D10D110 K1 &&將1號從站寄存器溫度參數(shù)D10數(shù)據(jù)讀至0號主站D110，H301讀寄存器指令，從機(jī)地址1；

TO H601 D20 D120 K1&&將0號主站D120數(shù)據(jù)寫到1號從站寄存器D20，H601寫寄存器指令，從機(jī)地址1，控制1號船舶左舷轉(zhuǎn)速參數(shù)；

……

上位機(jī)組態(tài)只需要改變數(shù)據(jù)庫組態(tài)數(shù)據(jù)，即可讀取或改變主站D20、D21、以及D110、120等寄存器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。

4 軟件設(shè)計

4.1 人機(jī)界面軟件

上位機(jī)選用力控Forcecontrol6.1，力控組態(tài)軟件基本的運(yùn)行環(huán)境分為三個部分，包括HMI（VIEW）人機(jī)界面、數(shù)據(jù)庫DB、通訊程序IO/SERV?ER。借助其強(qiáng)大的HMI（VIEW）人機(jī)界面功能完成無人船監(jiān)控界面的繪制；通訊程序IO/SERVER完成無人船與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信傳輸；并通過數(shù)據(jù)庫DB將完成通信數(shù)據(jù)記錄與管理，隨時調(diào)用測試和分析，人機(jī)界面如圖2所示。

所設(shè)計的實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由管理器和運(yùn)行系統(tǒng)組成，實(shí)時數(shù)據(jù)庫運(yùn)行系統(tǒng)可以完成對生產(chǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)的各種操作：如實(shí)時數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)存儲、統(tǒng)計數(shù)據(jù)處理、報警處理、數(shù)據(jù)服務(wù)請求處理等。管理器是管理實(shí)時數(shù)據(jù)庫的開發(fā)環(huán)境（DbMan?ager），通過DbManager可以生成實(shí)時數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)組態(tài)數(shù)據(jù)，來供運(yùn)行系統(tǒng)調(diào)用［7］。如表3所示。

4.2 控制程序

上位機(jī)程序控制流程［8］如圖3所示。

4.3 自主航行算法

采用簡單的PID位置算法，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)自主航行，如圖4所示，定出終點(diǎn)坐標(biāo)B，可得航線AB函數(shù)；根據(jù)GPS每秒反饋回的坐標(biāo)位置坐標(biāo)（X1，Y1），計算出產(chǎn)生偏航角θ=arctan與偏航距離e=得控制離散公式：

表3 數(shù)據(jù)庫組態(tài)

如果采樣周期足夠小，則U（n）的近似計算可以獲得足夠精確的結(jié)果，離散控制過程與連續(xù)過程十分接近，具體的PID參數(shù)必須由具體對象通過實(shí)驗(yàn)確定［9］。計算過程在上位機(jī)組態(tài)策略控制中進(jìn)行，控制輸出值為PLC中左舷電機(jī)D20與右舷電機(jī)D21。

當(dāng)U（n）=0；D20∝U（n），D20=D21賦值，保持航向與航速前進(jìn)，可手動調(diào)速；當(dāng)U（n）＞0；D20∝U（n），D21=-D20右轉(zhuǎn)向；反之則反。

為提高自助巡航能力，可在原有基礎(chǔ)上結(jié)合車載導(dǎo)航系統(tǒng)使用的Dijkstra算法和A*算法，并對傳統(tǒng)的規(guī)劃算法進(jìn)行改進(jìn)，即最優(yōu)路徑搜索算法［10］，結(jié)合了無人船自有的避碰傳感器進(jìn)行避碰操作控制，可實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的自助巡航設(shè)計。

5 實(shí)船與自動航行測試

實(shí)船具有在開闊水域自主航行的能力，船舶設(shè)有開闊水域自動避碰系統(tǒng)，可按預(yù)定的航路實(shí)現(xiàn)自動避碰，并進(jìn)行自主航行，符合III計算機(jī)系統(tǒng)的要求。下水巡航可達(dá)4h（2m/s下），高速2h（4m/s下），無線透傳模塊測試正常如圖5所示。

自主航行算法處理中，Kp=0.6Ku、Ti=0.5Tu、Td=0.12Tu值取經(jīng)驗(yàn)法值，U（n）、D20、D21值變化較快，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速變化過快，船舶操控性變差，實(shí)際取值操作中將GPS采樣降為2s采樣一次，基本能完成定點(diǎn)導(dǎo)航功能［12］。不同船型大小、電機(jī)功率及定位傳感器信號精度等均影響控制效果，取值參考意義不大。

6 結(jié)語

設(shè)計無人船能將無人船的數(shù)據(jù)信息發(fā)送回上位機(jī)控制基站，可實(shí)現(xiàn)手動控縱與基本自助航行能力，完成水質(zhì)采樣、定位、姿態(tài)、無人船工作狀態(tài)等航行控制及其他野外作業(yè)任務(wù)，各類數(shù)據(jù)信息的采集與傳輸正常，操控功能的實(shí)現(xiàn)性、數(shù)據(jù)采集的快速性和準(zhǔn)確性、系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性等均能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)要求。進(jìn)一步研究的問題是提高自助巡航精度與準(zhǔn)確性，因選用精度普通的定位器，導(dǎo)致單坐標(biāo)定位誤差較大，需不停計算船位，會出現(xiàn)短暫停止，耗時較長甚至跑偏等問題出現(xiàn)，可以通過提高測量精度或加裝羅經(jīng)航向測量等傳感器加以研究改善。

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