無人試驗船控制平臺的設計及測試研究

張榆皓

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714003

摘要：由于近些年海洋災害日益頻繁，為了能夠更好的保障海事人員的生命安全，無人試驗船的研究成為了當下最熱門的話題。本文針對無人試驗船控制平臺的設計和測試進行研究，內容僅供參考。

關鍵詞：無人試驗船；控制平臺；設計及測試

為了更好的保障海事人員的人身安全，無人船在日常的海事活動中起到了重要的作用。無人船只的運行都是依靠控制平臺來完成的，然而這個控制平臺卻是一個非常復雜的系統，需要通過針對無人試驗船控制平臺的設計及測試來模擬實際船只的控制效果。

1 無人試驗船控制平臺的設計內容

1.1 控制平臺的硬件框架設計

控制平臺的硬件框架設計主要針對船只進行的設計，包括信息采集單元、控制單元、異構通信網絡單元以及輸出單元。信息采集單元是為系統不斷的提供數據，并保證數據的實時性，主要由電羅經、GPS、AIS等。電羅經負責當前船只的導航，GPS提供地理信息數據，AIS用于檢測周圍是否存在其他船只。控制單元主要是實現船只的有效控制，例如岸端的遙控、船只自主航行、勻速航行等，這些控制主要對CAN網絡所接收到的來自傳感器所傳遞的信息進行有效反饋，并將控制指令發送給輸出單元，由輸出單元執行對應算法，例如航行路線規劃、識別障礙物、智能躲避障礙物等[1]。異構通信網絡單元的功能為保障實現船只與岸端的實時通信，通常情況下異構通信網絡單元會優先選擇數字電臺，若在執行海事活動中數字電臺無法運行的狀態才會選擇3G網絡，保證船只和岸端始終保持數據通信。輸出單元即為岸端指令的執行單元，對控制平臺發出的任何指令或算法都能夠進行，保證船只與指令相對應。

1.2 控制平臺的軟件框架設計

控制平臺的軟件框架設計主要應用于岸端的控制，也就是通過軟件的方式實現船只與控制平臺相互通信，主要包括：存儲模塊、通信模塊、處理模塊、遙控模塊等。存儲模塊是將通信的數據存儲到對應的數據庫中進行保存，便于岸端能夠隨時查看航速、航向以及地理信息等相關數據，并在監測界面中實時的顯示。通信模塊是針對數字電臺以及3G網絡提供有效服務的。由于數字電臺具有良好的實時通信能力，所以被優先選擇，通信模塊中為3G網絡提供船載攝像頭以及文字信息兩個通道，然而3G網絡傳輸具有延時性，所以是數據通信次要選擇。處理模塊主要用于岸端將傳輸的數據進行有效處理，從而將船只航速、航向和地理信息等方面內容提取出來并在監測界面中顯示出來。遙控模塊是對岸端的操作指令進行有效的執行的模塊，便于更好的利用數據通信實現遠程控制。

2 無人試驗船控制平臺的測試

2.1 船只測試

船只的測試是無人試驗船測試的重要環節，也是控制平臺指令能否順利得到執行的重要保證。開始整體測試前需要對無人試驗船的船只在水中的運行狀況進行檢測，保障船只在正常通電的情況下所有的設備都能夠正常的運行，并進行相應的監測，避免在整體測試過程當中出現設備問題，而且還要測試船只對指令的執行情況，保障操作指令的實時性[2]。具體步驟為先將船只內的所有硬件設備與對應單元進行連接，然后對整個電路板進行通電，并對所有設備進行實時監測，查看所有設備是否處于正常的運行狀態，最后是將船只駛入湖泊當中，利用控制軟件發送不同的操作指令，觀察其反應的速度以及正確性。

2.2 遙控測試

遙控測試是對控制平臺整體效果的進一步驗證，通常情況下進行遙控測試主要針對以下幾方面進行測試，比如船只與控制平臺相互通信過程是否穩定、船只能否及時響應控制平臺的指令、船只采集的信息是否實時傳回岸端、監測系統監測到數據是否能夠存儲到相應的數據庫中，并在查詢過程中能否順利進行調用。具體操作步驟為先將無人試驗船處于未發動狀態，檢測所有的硬件是否都已經正常連接，然后再將船只發動，監測每個設備在船只運行的狀態下是否正常，再將船駛入水中，在岸端上利用控制平臺向船只發送不同的操作指令，觀察其在不同的狀態下執行的速度以及響應時間，最后是將數據進行保存，并觀察數據庫中是否已經存入的當前數據以及能夠順利的進行讀取有效信息等內容。

2.3 靜水域自主航行測試

無人試驗船的自主航行是關鍵的設計要點，可根據航行的方向以及軌跡進行自主航行，從而減少人為的干預，更好地體現其無人駕駛的特點。通常對自主航行控制的采取PID控制算法，該算法不僅結構相對簡單，且參數調整方便。由于無人試驗船處于試驗階段，所以，通常在靜水域進行自主航行測試是最為有效，且不確定因素較少，測試結果穩定。

PID算法在實現控制過程中通常通過對積分時間、微分時間以及比例系數進行調整，在測試的過程中，只要針對這三個參數進行調整就能夠實現不同方向和軌跡的自主航行。具體步驟為首先將無人試驗船駛入靜水域之中，并使其保持勻速進行航行，然后向船只發送自主航行的控制指令，讓遙控控制結果不產生任何效果，再以電子羅盤的航向角作為參數依據，調整監測軟件界面中的航向值，并發送給船只，接著再一次輸入PID控制算法中的三個相應參數，以實現通過參數設置來進行自主航行的有效控制，最后通過在不同時間段來調整監測軟件的航向值，并發送給船只，使其在航行軌跡上的發生變化，最終觀察船只的航行軌跡的變化[3]。

3 結語

通過無人試驗船控制平臺的設計及測試研究，能夠更好地模擬實際無人海事船只的控制，便于將無人試驗船控制平臺的設計應用在實際的無人海事船只當中，實現海事活動的無人化方式，避免了因為海洋災害給海事人員的生命安全帶來威脅。

參考文獻：

[1]劉光明.無人多功能海事船控制平臺設計與通信網絡的構建[D].武漢理工大學，2012.

[2]鐘琎.無人試驗船控制平臺的設計及測試研究[D].武漢理工大學，2013.

[3]李浩.無人駕駛試驗船控制平臺設計與功能實現[D].武漢理工大學，2014.