小型無人艇集成控制系統設計與實驗研究

闞亞雄，盧道華，仲偉波，王 佳

(1. 江蘇科技大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212003；2. 江蘇科技大學 海洋裝備研究院，江蘇 鎮江 212003；3. 江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮江 212003)

小型無人艇集成控制系統設計與實驗研究

闞亞雄1，盧道華2，仲偉波3，王 佳1

(1. 江蘇科技大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212003；2. 江蘇科技大學 海洋裝備研究院，江蘇 鎮江 212003；3. 江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮江 212003)

針對傳統無人艇控制系統集成度低、可靠性差、通信距離有限等問題和在運動控制中存在的艇身水動力系數不確定性，加上外界風浪流的干擾等非線性因素，設計開發了一種小型無人艇集成控制系統。首先詳細闡述了該集成控制系統的硬件結構、軟件工作模式、控制模型及運動控制算法，使用matlab/simulink 工具箱進行速度、航向及深度的運動控制仿真實驗。然后以自研的無人艇樣機為實驗對象進行下水實驗。最終計算機仿真和實物下水試驗結果表明，所設計的運動控制器不僅能實現艇上各傳感器的數據采集與通信功能，下達和反饋運動控制指令的功能，也可以在一定外界干擾下跟蹤運動控制中的期望目標，實現控制要求。

無人艇；集成控制系統；反步滑模控制；數據采集系統

0 引 言

小型無人艇是一種智能小型船舶，具有水線以上雷達反射面積小、智能自主、密集搭載多功能傳感器等特點[1-2]。目前無人艇控制系統的研究作為一個新興的船舶研究領域發展較晚但發展速度較為迅速，以美國的 Spartan 號和以色列的 Protector 號為代表，均具備半自主能力，可裝備模塊化載荷執行水雷戰、情報監視與偵察、部隊防護、港口防護、對敵水面和陸地目標實施精確打擊以及反潛等任務。我國在無人艇關鍵技術方面的研究近年也取得了巨大成就，但與西方國家相比有著很大差距[3]。國內在無人艇的集成控制系統上的研究還很少，至今尚無一款成熟的國產無人艇能同時夠搭載多波束測深儀，毫米波雷達等多種傳感器進行有效的水面水下作業任務。在無人艇底層運動控制仿真方面針對單泵噴水推進滑行艇提出了一種滑模控制算法實現了無人艇航向跟蹤的仿真工作[4]。文獻[5]引入了一種水面無人艇測控系統設計方法。文獻[6]采用一種數字仿真和部分硬件系統結合的形式，構造了一套半實物仿真平臺。這些研究對無人艇的運動控制和仿真有益，但在實物中將多傳感器和運動控制模塊集成為綜合控制系統的研究較少。

本文以自主研發的小型偵察型無人艇實物為研究對象，詳細闡述了該無人艇集成控制系統的系統體系結構、工作模式、數學模型以及基礎運動控制算法。在仿真和下水實驗中實現了無人艇在水平面和垂直面上的運動控制動作以及艇上各傳感器的數據采集與通信傳輸，能實時將控制指令的下達并反饋回控制站等功能。本文旨在開發一套穩定、可靠的無人艇集成控制系統，適用于小型自主巡航兼有遠程人工遙控功能的無人艇。

1 控制系統總體框架

1.1 某小型無人艇集成控制系統結構

所設計的無人艇集成控制系統包括岸基控制站和艇載控制系統組成。兩大集成控制系統之間由無線數據通訊系統實現遠距離無線實時控制。艦載系統為無人艇控制系統核心，它具有以下 4 類模塊：1）底層運動控制模塊，2）環境感知模塊，3）導航位姿位置定位模塊，4）目標探測避障模塊。集成了包括 24 GHz毫米波雷達，單波束聲吶，GPS/北斗定位模塊，位姿參考模塊等在內的多個傳感器。系統結構如圖1 所示，圖2 為艦基集成控制系統實物圖。

1.2 某小型無人艇岸基集成控制系統

岸基控制站可放置在陸地或艦船上，實現無人艇的人工控制、通信等功能，其內部包括電源系統、岸基工控機、顯示屏、通信系統、操作手柄、PLC 控制器等系統組成。電源系統由 220 VAC 或 24 VDC 鋰電池供電，滿足不同場合下系統供電需求；操作手柄和PLC 構成人工控制系統，實現無人艇人工控制；通訊系統可根據無人艇的不同需求配置不同無線通訊線路（WIFI 通信、水聲通信、無線數傳通信），其中無線數傳通信可滿足無人航行器的遙控指令傳輸、WIFI 通訊滿足無人艇的信息或圖像的傳輸，水聲通信滿足無人艇在水下潛航時的指令和圖像的傳輸等。

圖1 無人艇集成控制系統硬件體系Fig. 1 Integrated control systemhardware structure of USV

圖2 無人艇艦基控制系統部分實物圖Fig. 2 Figure of USV integrated control physical system

1.3 某小型無人艇艦基集成控制系統

艇載控制系統由艦載工控機、通用底層控制系統和通信系統組成。工控機實現無人艇的通信數據處理、雷達信號處理、圖像信號處理、單束波信號、避碰等功能。底層控制系統是基于西門子 S7-200 系列PLC 為核心進行開發的，通過串口與岸基 PLC 和艦載工控機進行通信，傳輸指令和數據；通過開關量輸入接口可接受無人艇轉舵機構上限位開關等開關量信號，通過開關量輸出接口可控制繼電器等負載；通過模擬量輸入接口可接受溫濕度、角度等模擬量信號；通過模擬量輸出接口可控制主電機轉速等，實現航速控制；高速脈沖輸出接口實現升降舵、方向舵步進電機控制，從而實現無人航行器航向及升沉控制。艦載通信系統采用無線通信、WIFI 通信，與岸基控制站實現數據傳輸。

2 集成控制系統軟件體系結構

無人艇的集成控制系統的軟件任務主要由底層的數據采集，運動控制，數據的處理、融合、監控、故障的診斷，無線通信和頂層的控制模型與算法組成。

2.1 軟件工作模式

圖3 為無人艇控制軟件的體系結構，具體說明如下：1）艦載底層 PLC 運動控制器主要用于發出主電機，方向舵步進電機，升降舵步進電機的控制指令，表現為主電機的調速電壓、步進電機的脈沖數等。2）無人艇數據采集與反饋，表現為無人艇的位置、姿態、主螺旋槳轉速，各舵的舵角位置等。3）數據處理，表現為岸基工控機接收到傳感器原始數據后進行相應的濾波降噪處理并顯示在多任務顯示屏上。4）岸基工控機根據目標點進行航跡規劃等

集成控制軟件的運行平臺為 Win7 操作系統，開發工具為 VC++6.0，工控機運行時，所執行的任務按功能主要分為 4 類：

1）運動控制主任務。艦載 FPC7063 工控機利用VC 中建立的主任務模塊，控制節拍為 1 s/次，每隔 1 s調用一次底層 PLC 上傳的數據和數據處理系統處理的傳感器數據，根據調用的數據和岸基控制系統下達的指令進行處理分析，完成運動控制指令的下達或調用故障診斷與緊急處理任務模塊進行故障診斷與緊急制動。

2）信息采集和指令下達。信息采集包括：各傳感器通過串口協議或 TCP/IP 協議上傳的數據，其中串口數據主要有 PLC 數據、單波束聲吶數據、北斗 GPS 數據、SDI-MAHRS 位姿參考系統數據、主電池 BMS 管理器數據。基于 TCP/IP 協議上傳的數據為 24 GHz 毫米波雷達數據。指令下達主要通過串口根據modbus協議向 PLC 發送控制命令。

3）數據處理。岸基工控機需要處理的數據首先包括判斷北斗/GPS、航姿參考系統采集的原始串口數據是否符合相應的數據格式，剔除某個時刻不完整的數據，還包括有著較大擾動和噪點的毫米波雷達、激光紅外攝像機采集的數據和圖像，如果不對數據加以預處理，剔除噪點和濾波就會存在控制精度低，圖像識別率低的情況。

圖3 無人艇軟件體系結構圖Fig. 3 software systemstructure of USV

4）通信任務。包括任務艦載工控機和岸基工控機通過無線 WIFI 進行無線數據的通信任務，也包括正常工作時利用串口通信實現工控機與 PLC 的數據通信，每 1 s 接受一次上傳數據，并向底層 PLC 發送 1 次指令。

2.2 集成系統數學模型

根據相關文獻資料[4]，此型無人艇是典型的六自由度運動模型，可在 6 個自由度方向實現前進、后退、下潛、上浮，縱搖及轉向運動。其運動模式各控制量相互耦合，不便于控制器的控制算法設計，考慮到該小型無人艇的對稱性，本文忽略橫搖對無人艇的影響后簡化為水平面運動模型和垂直面運動模型。以水平面為例，無人艇的水平面運動學方程為：

無人艇的水平面動力學方程為：

式中：X，M，N 分別為無人艇執行機構在縱蕩、縱搖和橫搖方向上的控制輸入力（力矩）；m為無人艇質量；Iy和 Iz為無人艇的轉動慣量；為無人艇航行過程中可能受到風浪流的干擾或者是水動力系數不準確等不確定性影響總和。

2.3 無人艇集成控制系統控制算法

對于無人艇這樣的非線性、時變系統，本文采用的控制方法自適應反步滑模算法，將反步法、滑模法和自適應律相結合，算法控制流程的前 n - 1 步采用反步法，第 n 步引入滑模控制消除反步法的匹配不確定性影響，最后采用自適應律在線辨識不確定性影響總和的方法。較之常用的 PID 算法其優點在于具有較短的收斂時間、良好的動態性能和自適應能力。運動控制器的具體設計過程不詳細介紹[6-7]，結果如下：

設計縱向速度控制器為：

設計航向角控制器為：

垂直面深度控制器與水平面控制器推導過程類似，顯然，通過調整控制器的參數可以改變控制器的收斂速度、超調量等控制指標。

3 仿真與實物實驗結果與分析

3.1 運動控制仿真實驗

本文研究對象是自研的一款小型無人艇，艇長 4m，艇寬 1.5m，吃水 1.30m，總高 1.5m，排水量空載 1 t，推進方式采用電推，輸入功率 10 hp，螺旋槳槳葉直徑295mm，額定最大轉速 1 800 r/min，最大航速 10 kn，控制方式為人工遙控、自主操控方式，在搭載多種模塊時，可具備目標識別與避碰、自主導航、航跡規劃等能力。集成控制系統中的水動力系數參考mIT 的碩士生 Timothy Prestero 提出的 REMUS 水下無人艇仿真模型中參數。首先為了驗證水平面自適應反步滑模控制器的有效性和魯棒性，利用matlab R2014a/Simulink在無人艇數學模型的基礎上進行仿真研究。

無人艇仿真實驗中的水平面的初始狀態為 u（0）= v（0）= r（0）= Ψ（0）= 0，期望的速度為 ud=2m/s，期望首向角為前 50 s 為 Ψd=25°，后 50 s 為 Ψd=-25°。垂直面的初始狀態為 u（0）= 0.1m/s，w（0）= q（0）= ζ（0）= 0，期望的速度 ud=2m/s，期望深度ζd=5m。假設無人艇工作環境為定向水流干擾環境下的進行近水面運動仿真，水流速度 Uc=0.1m/s，流向角 αc=π/4。水平面控制器參數為：h1=1，k1=5，c1=3，γ1=5，γ2=π。垂直面控制器參數為：h1=1，h2=0.3，γ1=5，γ2=π/6，k1=0.8，k2=1，c1=0.5，c2=1.5。

3.2 實物實驗

圖4 無人艇水平面控制器和動力學模型 simulink 建模圖Fig. 4 Figure of USV turningmotion control systemand dynamicmodel build in Simulink

圖5 無人艇垂直面定深度仿真曲線Fig. 5 Simulation curves of depth control

圖6 無人艇水平面定航向仿真曲線Fig. 6 Simulation curves of course control

小型無人艇在研制成功后，先后多次完成下水實驗，對無人艇的艇體性能、集成控制系統的運行情況進行驗收，確認了該集成控制系統的可行性和可靠性。在試驗中，集成控制系統的實物仿真實驗硬件設備包括：岸基手柄遙控臺、艦載工控機、艦載 PLC、艦載各類傳感器、無線通信模塊、以及主電機和舵機。分別實現了無人艇的手動遙控和自主巡航功能。

試驗中的集成控制系統軟件界面如圖9 所示，集成控制系統界面包含攝像采集區、數據采集區和運動控制區。集成控制系統采集毫米波雷達和電池管理系統數據如圖10 所示。

由仿真結果可以得到如下結論：

1）由matlab 仿真圖可看出，在集成控制系統算法的控制下，無人艇在受流向角為 45°，流速為 0.1m/s的水流干擾的仿真環境中進行了基礎的航向運動控制和深度運動控制，其中航向控制仿真時間 t 為 100 s，上升時間為 6.78 s，超調量為 9.28%，深度控制仿真時間 t 為 100 s，上升時間為 10 s，超調量為 12%。仿真實驗說明控制算法可使無人艇達到控制要求，在較小的環境干擾下控制算法仍具有一定的魯棒性。

2）實物試驗中無人艇艦載工控機通過串口通信或以太網通信實時接收解算艇上各傳感器獲取的數據如北斗終端、航姿參考儀、24 GHz 毫米波雷達信息、主電池管理系統采集信息等。采用 COMFAST 300m大功率無線 wifi 模塊和 DTD433ME 遠距離無線數據終端和岸上工控機/PLC 控制器進行了艇上大容量數據如雷達、聲吶、圖像數據的傳輸，最后經測試無人艇在無障礙物的水面最遠通信距離可達 8 km。試驗實現了無人艇的遠程遙控、基本的自主控制和艇上各傳感器的數據采集收發與集成。

圖7 無人艇下水試驗圖Fig. 7 Figure of USV field testalake

圖8 便攜式手柄控制臺Fig. 8 Figure of control lever systemin field test

圖9 集成控制系統人機界面圖Fig. 9 Main user interface of USV integrated control system

圖10 毫米波雷達和主電池管理系統數據采集圖Fig. 10 Figure ofmillimeter-wave radar and BMS data collection

4 結 語

本文針對一種研制的小型無人艇樣機，開發了一套集成控制系統，內部軟件基于 TCP/IP 協議和modbus 主從站協議，使小型無人艇具備了基本的運動控制功能，包括直航、轉向、下潛、上浮、采集傳感器數據、接受發送岸基控制臺指令的能力，驗證了集成控制系統的硬件模塊、軟件結構體系的設計以及通信接口的可行性和合理性。

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5 結 語

通過小波濾波，使得電羅經直航向信號變得平穩，有效濾除高頻干擾，為對信號進行傅里葉分析打下良好基礎，通過時頻轉換的傅里葉分析法，可以確定信號中能量較大的頻點，利用所得頻點對航向模型進行傅里葉展開建模，并對模型參數進行在線地自適應迭代估計，結果表明，模型預測效果較好，為下一步修正電羅經誤差打下一定的基礎。

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Design and experience of the small unmanned surface vehicle integrated control system

KAN Ya-xiong1, LU Dao-hua2, ZHONG Wei-bo3, WANG Jia1
(1. School ofmechanical Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China; 2.maine Equipment Research Institute, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China; 3. School of Electronicsand Information, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

Aiming at the shortcomings existing in the traditional Unmanned Surface Vehicle (USV) control system, such as low integrated, poor reliability, limited in communication distance, and wide variations in USV hydrodynamic coefficients and disturbance,aIntegrated Control Systemis designed and purposed for the kind of small size USV. First, elaborate the structure of the hardware, operatingmodes of the control software, USVmathematicalmodel andmotion control algorithmof the integratedmotion system, the USVmotion control systemand physical simulation are conducted inmatlab/simulink to test the stability and efficiency of the integrated control system. Finally, the results of simulation andafield trial inalake show that the integrated control systemcan not only achieve collect sensors data and give control instructions by communicate the host control system, but also can track the desired target and is insensitive to the changes of the unmatchablemodel perturbation and wave interference, which achieve the control requirements.

USV；integrated control system；adaptive backstepping slidingmode control；data collection system

U664.82

：A

1672 - 7619(2016)10 - 0067 - 05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.010.013

2016 - 02 - 02；

2016 - 04 - 05

闞亞雄(1990 - )，男，碩士研究生，主要從事無人艇控制系統研究。