基于4G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無人船云控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐海恩+項(xiàng)慧慧+邵星

摘要：針對當(dāng)前無人船控制系統(tǒng)主要采用GPRS通信技術(shù)，導(dǎo)致只能傳輸簡單控制數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)性較差的問題，基于云轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)設(shè)計(jì)無人船云控制系統(tǒng)，并采用最新的4G技術(shù)作為無人船與地面控制中心之間的通信技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對無人船航線的控制及無人船工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控。對無人船性能測試以及在實(shí)際水域中對無人船控制系統(tǒng)測試的結(jié)果表明，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對無人船的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控及管理等功能。

關(guān)鍵詞：無人船；4G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；云轉(zhuǎn)發(fā)；流媒體技術(shù)

DOIDOI：10.11907/rjdk.171812

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2017）006-0056-03

0 引言

無人船是一種集智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化、機(jī)動(dòng)化、無人化于一體的新型小型水面自主航行交通工具，具有機(jī)動(dòng)靈活、易操控、攜帶使用方便、易于開展實(shí)驗(yàn)、成本低、效率高、對監(jiān)控環(huán)境要求低等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于湖泊和內(nèi)河水質(zhì)監(jiān)測[1]、濕地環(huán)境監(jiān)測[2]、海洋環(huán)境監(jiān)測[3]、水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控[4]、水下環(huán)境測量[5]等各種水域環(huán)境下民用和軍用的諸多領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。

無人船應(yīng)用的關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)無人船在各種水域環(huán)境下的無人自主航行，其核心技術(shù)是遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)[6]和無線通信技術(shù)。在無人船控制系統(tǒng)方面，國內(nèi)已有不少高校和學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)研究。河北大學(xué)趙曉軍等[7]基于DSP和GPRS技術(shù)設(shè)計(jì)了用于白洋淀濕地監(jiān)測的無人船運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；山東大學(xué)李峰等[8]設(shè)計(jì)了用于湖泊水域監(jiān)測的無人船水樣采集系統(tǒng)，采用WiFi技術(shù)實(shí)現(xiàn)無人船與地面控制中心之間的通信；中國海洋大學(xué)的孫東平[9]及浙江大學(xué)的王魏等[10]設(shè)計(jì)了用于海洋監(jiān)測的無人船遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，采用GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)無人船與地面控制中心之間的通信。由此可見，當(dāng)前無人船與地面控制中心的通信技術(shù)仍然以第二代移動(dòng)通信技術(shù)——GPRS技術(shù)為主，雖然能夠滿足長距離作業(yè)需求，但只能傳輸簡單數(shù)據(jù)，而無法滿足無人船實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控等較復(fù)雜應(yīng)用場合對實(shí)時(shí)傳輸多媒體數(shù)據(jù)的需求，不利于地面控制中心對無人船的管理和調(diào)度。

相比于GPRS網(wǎng)絡(luò)，高速率4G網(wǎng)絡(luò)能更好地支持多媒體數(shù)據(jù)傳輸。采用4G技術(shù)作為無人船與地面控制中心間的通信技術(shù)，不但能極大拓展無人船的工作距離，而且能實(shí)現(xiàn)對無人船的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控。目前雖然已有學(xué)者設(shè)計(jì)了基于3G/4G的無人船遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[11-12]，但只是給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架，對視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測試闡述較少。

因此，針對當(dāng)前無人船控制系統(tǒng)由于以GPRS通信技術(shù)為主，導(dǎo)致控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較差及無法適用于較復(fù)雜應(yīng)用場合的問題，本文研究設(shè)計(jì)了一套基于4G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無人船云控制系統(tǒng)，采用4G通信技術(shù)、流媒體技術(shù)和云轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對無人船的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控。通過本系統(tǒng)，操作人員只需在控制中心即可實(shí)現(xiàn)對無人船的遠(yuǎn)程控制。在無人船作業(yè)過程中，監(jiān)控人員也可隨時(shí)隨地獲取無人船作業(yè)狀態(tài)的實(shí)時(shí)畫面，了解作業(yè)進(jìn)度和完成情況。

1 系統(tǒng)總體框架

本系統(tǒng)由無人船端、云服務(wù)器端和地面控制中心3部分組成，總體框架如圖1所示。無人船首先通過GPS定位后，地面控制中心根據(jù)接收到的位置信息計(jì)算航線，并通過云服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)至無人船端。無人船接收到航線信息后進(jìn)行自主航行作業(yè)。在自主航行過程中，無人船將當(dāng)前的航向、航速、位置等信息通過云服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)至地面控制中心。同時(shí)，無人船的4G視頻系統(tǒng)通過RTMP協(xié)議將實(shí)時(shí)作業(yè)視頻發(fā)送至云服務(wù)器，地面控制中心訪問云服務(wù)器獲取無人船實(shí)時(shí)作業(yè)視頻。

（1）無人船端。無人船通過GPS獲取自身位置信息，采用4G通信技術(shù)將位置信息發(fā)送至云服務(wù)器端，經(jīng)由云服務(wù)器端轉(zhuǎn)發(fā)至地面控制中心。此后，無人船接收云服務(wù)器端轉(zhuǎn)發(fā)的來自地面控制中心的航線信息進(jìn)行自主航行，并在航行過程中通過云服務(wù)器將實(shí)時(shí)的航向、航速、位置等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至地面控制中心。同時(shí)，無人船的4G視頻系統(tǒng)通過RTMP協(xié)議將實(shí)時(shí)作業(yè)視頻發(fā)送至云服務(wù)器端，供地面控制中心查看。

（2）云服務(wù)器端。本文基于阿里云提供的ECS云服務(wù)器設(shè)計(jì)了無人船云控制系統(tǒng)的云服務(wù)器端。彈性云服務(wù)器ECS（Elastic Cloud Server）是一種簡單高效、可隨時(shí)自主獲取、處理能力可彈性伸縮的云服務(wù)器，具有可動(dòng)態(tài)調(diào)整CPU、內(nèi)存、硬盤和帶寬等優(yōu)點(diǎn)，為開發(fā)者提供了極大便利。

云服務(wù)器端主要用于轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)時(shí)控制數(shù)據(jù)和作業(yè)視頻。采用云服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)模式，能夠減少無人船端需要處理的數(shù)據(jù)量，降低能耗，延長電池工作時(shí)間。

（3）地面控制中心。地面站控制中心通過云服務(wù)器與無人船建立連接，將航線信息發(fā)送至無人船端，接收來自無人船的實(shí)時(shí)航向、航速、位置等信息，并可實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人船的電量信息、作業(yè)狀態(tài)及所在水域環(huán)境情況。

2 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 無人船控制信息傳輸系統(tǒng)架構(gòu)

無人船控制信息傳輸系統(tǒng)主要使用USR-LTE-7S4透傳模塊將地面控制中心的控制信息傳輸至無人船端，如圖2所示。USR-LTE-7S4可以實(shí)現(xiàn)無人船端與云服務(wù)器端的雙向透明數(shù)據(jù)傳輸，功能豐富，體積小巧，適合作為無人船的船載通信設(shè)備。使用網(wǎng)絡(luò)透傳模式收發(fā)數(shù)據(jù)，使用者無需關(guān)注無人船串口數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包之間的轉(zhuǎn)換過程，只需設(shè)置相關(guān)參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)無人船端與云服務(wù)器端之間的透明通信。

如圖2所示，無人船上電運(yùn)行后，GPS定位模塊獲取當(dāng)前位置信息，通過USR-LTE-7S4以MavLink協(xié)議數(shù)據(jù)格式發(fā)送至云服務(wù)器，經(jīng)由云服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)至地面控制中心。地面站控制中心根據(jù)無人船位置信息計(jì)算航線，通過云服務(wù)器以MavLink協(xié)議數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)發(fā)至無人船端。

2.2 無人船遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

無人船遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)采用Hi3518E模塊采集無人船實(shí)時(shí)作業(yè)視頻，通過4G通信模塊Quectel EC20上傳至云服務(wù)器端，地面控制中心登錄云服務(wù)器端即可實(shí)現(xiàn)對無人船的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控。

視頻采集采用Hi3518E模塊，支持H.264和MJPEG/JPEG編碼，以RTMP協(xié)議格式將無人船作業(yè)視頻上傳至云服務(wù)器端。4G通信模塊采用Quectel EC20模塊，該模塊支持多輸入多輸出技術(shù)（MIMO），具有較高的通信可靠性和良好的通信質(zhì)量。云服務(wù)器端采用nginx-rtmp-module模塊實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)發(fā)功能。

3 系統(tǒng)測試與數(shù)據(jù)分析

對無人船控制系統(tǒng)的測試主要分為靜態(tài)測試和動(dòng)態(tài)測試。靜態(tài)測試是在室內(nèi)環(huán)境下測試視頻監(jiān)控功能及傳輸時(shí)延等通信性能；動(dòng)態(tài)測試是在實(shí)地水域中測試整個(gè)系統(tǒng)的功能，包括無人船接收航線控制信息及自動(dòng)航行任務(wù)、無人船遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控任務(wù)以及在實(shí)際水域中的傳輸時(shí)延等通信性能。

3.1 靜態(tài)測試

系統(tǒng)靜態(tài)測試監(jiān)控界面如圖4所示。其中，左上角為云服務(wù)器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程，左下角為無人船傳回的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面，右邊為控制系統(tǒng)主界面。

在靜態(tài)測試環(huán)境下，控制系統(tǒng)傳輸時(shí)延最低為248ms，最高334ms，如圖5所示。由靜態(tài)測試結(jié)果可以看出，基于4G通信技術(shù)的無人船控制系統(tǒng)的傳輸時(shí)延較低，能夠完成對無人船遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的任務(wù)。

3.2 實(shí)地水域測試

測試水域?yàn)檫B云港市海州區(qū)西鹽河，地面控制中心在連云港瑞云智能科技有限公司。地面控制中心上傳航線并讓無人船自動(dòng)執(zhí)行此航線，控制界面如圖6所示。

在此次實(shí)地水域測試作業(yè)中，控制系統(tǒng)的平均傳輸時(shí)延為0.5s，視頻系統(tǒng)傳輸時(shí)延為1.5s，再次驗(yàn)證了本系統(tǒng)能夠滿足對無人船遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控的要求。

4 結(jié)語

本文基于云服務(wù)器架構(gòu)設(shè)計(jì)了無人船云控制系統(tǒng)，并采用4G物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了地面控制中心與無人船之間的通信，通過4G透傳模塊將無人船航線等控制信息由地面控制中心傳輸至無人船接收端，同時(shí)采用4G視頻傳輸模塊和RTMP音視頻傳輸協(xié)議將無人船實(shí)時(shí)作業(yè)視頻傳送至云服務(wù)器，以供地面控制中心查看及監(jiān)控。由測試結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對無人船的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制及視頻監(jiān)控，從而極大地提高無人船的工作效率，并確保無人船航行安全，再結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)采集技術(shù)即可應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測、城市內(nèi)河監(jiān)測、海洋環(huán)境監(jiān)測、濕地監(jiān)測等各種水域環(huán)境下的應(yīng)用場合，具有一定推廣價(jià)值。

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（責(zé)任編輯：黃 健）