漁業捕撈作業輔助遙控無人艇的研發

邵承譜++鄭銳聰++毛永明

摘 要：本文介紹所研發的漁業捕撈作業遙控無人艇，是集船舶設計、智能控制、數據采集處理、通訊導航等專業技術于一體的智能化工作艇，可以在海洋環境中執行捕撈輔助作業，主要涉及到遙控無人艇的自主駕駛、路徑規劃與導航、動力定位，以及在一定海況下航行、作業等功能的實現。

關鍵詞： 動力定位； 全回轉； 智能控制； 漁業安全

中圖分類號：U674.91 文獻標志碼：A

Development of Unmanned Remote-Controlled Boats for Fishery Fishing Operations

SHAO Chengpu1， ZHENG Ruicong2， MAO Yongming2

（1. Zhejiang Ocean Fishery Office，Hangzhou 310021； 2.Guanzhou HG Marine Co.， Ltd.，Guangzhou 511430）

Abstract： This paper introduces an unmanned remote-controlled boat for fishery fishing operations. As an intelligent work boat， it integrates the technologies of ship design， intelligent control， data collection and processing， communication and navigation， and it can perform auxiliary fishing operations in the Marine environment. It mainly involves the autonomous driving， path planning and navigation， dynamic positioning， and the realization of the functions of navigation and operation under certain sea conditions.

Key words：Dynamic positioning； Full swing； Intelligent control； Fishery safety

1 前言

隨著當今世界科技的智能化、無人化、系統化的發展，無人飛機（UAV）、陸地無人車（UGV）、無人機器人（AUV）和遙控無人艇（USV）等技術在軍事及民用領域發揮著越來越重要的作用。遙控無人艇是依靠遙控或者自主方式在水面航行的小型化、智能化功能艇。它較之傳統水面艇具有以下特點：功能模塊多樣化、運行作業靈活化、精確遙控定位、能耗低、效益高。為了緊跟世界先進技術發展潮流，適應現代科學技術不斷進步以及人民日常工作生活的需求，研制具有自主知識產權的遙控無人艇勢在必行。

2 遙控無人艇技術簡介

遙控無人艇是一種復雜的智能化無人操作系統，它是集船舶設計、信息采集處理、智能運動控制等高尖技術為一體，涉及到的技術包含：自主航行系統、路線規劃與導航系統、信號干擾識別過濾處理等，也可以根據客戶的實際要求集成相應的特殊功能模塊。當然，遠距離遙控駕駛是遙控無人艇最基本、最重要的模塊，并在此基礎上完成其他功能模塊的研發。

為了達到遙控無人艇經濟實用性，首先要了解傳統人工艇存在的弊病，并從傳統人工艇人工成本高、安全性低、油耗大、轉舵緩慢、無法完成船舶定位等缺點入手，以此為技術突破口完成遙控無人艇，其基本功能模塊見圖1。

3 遙控無人艇關鍵技術

為了更好的推進遙控無人艇項目的研發，同時保證各項功能的的質量，遙控無人艇的研發采取功能模塊化分工設計，分別對每個關鍵技術難點進行突破，最后對所有功能模塊進行技術整合匯總。

3.1 船體流體力學

遙控無人艇的船體采用流體力學算法建模設計，船體材料采用高強度玻璃鋼。利用CFD程序（NICE法）進行偏航狀態和回轉狀態的計算，并根據其計算結果進行評估。由約束模型實驗獲得的線性導數的變化，得出計算結果與實驗結果之間的相互關系，進而以CFD計算值作為參數對船體水動力系數進行估算。通過對船體、全回轉環推和水之間相互影響力，設計出相對合理的船體，有效的減小了水對船體的阻力，提高航速。

3.2混合動力系統

遙控無人艇采用100kW靜音柴油發電機作為供電系統，同時配備了可充放電高容量鋰電池、逆變器、雙向DCDC充放電模塊等元器件新型混合動力系統。整個混合動力系統由高性能單片機完成相關的柴油機和鋰電池各實時參數采集處理并傳送到PLC控制系統。當高速行駛或鋰電池電池不足時自動切換柴油發電機供電；而當檢測出柴油機油量不足或靜音柴油發電機航行模式時自動切換到鋰電池供電。為了滿足客戶需求，額外集成了市電充電模塊。新型的混合動力系統在減少油耗、降低噪音以及平穩運行方面的作用尤為突出?；旌蟿恿ο到y見圖2。

3.3自動航行控制系統

自動航行控制系統是遙控無人艇推進系統的重中之重，本艇推進電機采用了廣州海工自主研發的永磁軸流同步推進電機，其具備大推力、低噪音、高效率、運行穩定等特點。為了解決傳統人工艇轉彎慢、運行不穩定的問題，采用高精度步進電機以及配套傳動系統實現360°全回轉舵功能。高分辨率舵角反饋器配合步進電機可以實現高達0.01°的轉舵誤差，并能快速完成艇360°全回轉過程。

在實現自動航行時碰到了不少難點，如傳統的模擬量舵角反饋信號精度不高、艇內部的電磁干擾嚴重，使得整塊單片機采集處理舵角信號、通信信號的過程中因為干擾出現誤差、舵角跳動導致步進電機來回晃動的現象。為了攻克這一難點，我們在單片機采集信號段設計了信號前置放大器和濾波器對信號進行過濾調理，同時做好舵角反饋器等靈敏設備的屏蔽措施，并在單片機程序算法以及PLC算法中嵌入了容錯魯棒算法，實現了穩定轉舵的同時保證了舵角的精度。endprint

遙控無人艇使用的高速單片機，嵌入到機器設備、控制系統、儀器儀表、數據壓縮和加密等中央處理單元，具有功耗低、可靠性強、功能強大、高性價比等特點。數據信號采集模塊從全球定位系統GPS、數據羅盤獲取當前艇航向、左右前后傾角等實時信息，同時接收遙控面板給定的轉速、角位置信息。信號控制系統由信號放大電路、控制電路、模數轉換電路、接口電路、嵌入式主板組成，將艇實時運動信息發送給PLC以便進行艇自動控制，并將數據實時壓縮后發送給遙控人員。自動控制系統見圖3。

3.4 定位控制系統

運動控制子系統以三菱FN系列PLC為核心，經過優化可以實現轉舵及推進螺旋槳進行精度控制。嵌入式單片機傳過來的遙控指令，并結合當前傳感器進行參數PID控制運算，實現360°全回轉控制以及航速調整的功能。它包括：航向給定環節、航向檢測環節、給定航向與實際航向比較環節、航向偏差與舵角反饋比較環節。本艇內置高精度全球定位系統GPS以及高靈敏度磁羅經，通過自糾正自動導航算法完全可以實現航向保持、航向改變、航跡保存控制、自動返回控制等功能。自動舵是根據磁羅經的航向信號和制定的航向對比來控制操作系統，自動使船舶保持在制定的航向上。

定位系統是為了解決傳統人工艇受風、浪影響而沒法穩定在一定海域范圍內作業問題而設計的。我們可以根據不同的需求嵌入風、流檢測傳感器等功能模塊建立自適應數學模型。可以根據測量到的外部連續信息（如船舷向、轉舵角、航速等）不斷實時識別模型參數，進行實時有效控制盡可能保持最優狀態。通過采集高精度GPS及相應的風、浪傳感器進行數學模型處理，可以滿足艇穩定在5-10米范圍內。因為360°全回轉轉舵功能的存在，艇可以在位置偏離過程中經過數據優化處理，以最短路徑前進或退回到指定范圍內。定位控制系統見圖4。

3.5運動仿真

本艇航向控制進行了大數據量的整合研究，給出了集傳統PID控制和基本模糊控制優點于一身的參數自整定的模糊PD控制器的設計。艇運動特性隨著航速、裝載等因素變化而變化，干擾特性隨著風、流、浪等海況變化而不同。常規艇控制系統不能自動適應上述因素的變化，駕駛員難以隨著航行變化對PID參數進行適當的調節，所以人工駕駛小艇不可能具備良好的操作性能。為了使得研發工作更加順利實施，出于安全性能的考慮，首先建立了該艇運動的仿真模型，再利用該仿真模型模擬無人艇在各種海況、各種速度下進行回轉運動和Z型運動，并著重測試了GPS動力定位系統以及最短路徑識別算法。我們在沿海地域還多次進行了艇體的升沉、橫傾角、縱傾角、惡劣風浪天氣試驗，各項性能均符合設計要求。運動仿真圖見圖5。

4 遙控無人艇在燈光圍網捕魚作業上的應用

為了驗證遙控無人艇的實用性，我們將其中一艘試驗艇提供給漁民試用，經過多次出海試驗，本艇與傳統人工誘魚作業工作艇相比具有如下優點：

（1）遙控無人艇可以設置自主航行及回收，采用全電力360°全回轉推進系統，操作簡單、運行和轉舵穩定，可以實現1～3公里的遙控范圍；

（2）遙控無人艇集成了各種技術GPS定位，能更好的完成艇的定位控制，在復雜的海況天氣下照樣能完成下海放燈誘魚作業，增加了作業效益；

（3）能夠取代人工艇進行下海放燈誘魚作業，提高了安全生產，節省了人工費用，漁民可以不用駕艇下海，漁民人身安全得到保障；

（4）目前的遙控無人艇只適用于漁民燈光誘魚，可以在此平臺基礎上，開發出探魚、輔助作業、救助、運輸等用途，促進漁業裝備的自動化和智能化，提高作業的技術含量。

5 結束語

漁業捕撈作業輔助用遙控無人艇，融合了多種先進技術，是一款適合漁業生產的實用裝備，具有成本低、安全性高、經濟效益好的特點，符合了漁業安全生產和漁業高技術裝備發展的趨勢。

為保證遙控無人艇研發成功，廣州海工船舶設備有限公司專門組織研發團隊進行精心試驗，在浙江臺州、寧波和廣東陽江等地開展了試驗，并隨漁船出海試用。遙控無人艇經試驗試用后，發現問題及時進行研究分析，采取措施改進，取得滿意效果，各項指標符合設計要求。

參考文獻

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