一種小型無人船地面站通信控制端設計

呂霞付，程啟忠，林 政

一種小型無人船地面站通信控制端設計

呂霞付，程啟忠，林 政

（重慶郵電大學 工業互聯網與網絡化控制教育部重點實驗室，重慶 400065）

為了解決無人船和地面站之間的通信受距離的影響，并且地面站人機交互控制軟件功能的缺失等問題，設計一種采用兩種通信單元的、交互界面更完善的地面站系統。根據無人船和地面站距離的不同而采用不同通信單元，以保證無人船自身的狀態數據以及周圍環境的視頻可以正常和穩定地傳輸到地面站，并對回傳的數據進行檢測和故障分析，在優化的人機交互界面中顯示和播放,視頻延時平均為106.5 ms，使得用戶可實時監控無人船。通過測試，該地面站系統設計合理、運行可靠。

狀態監測 視頻監控 人機交互 通信方式 地面站

0 引言

將無人系統應用在船艇的研究已成為國內外的熱點[1]。無人船（Unmanned Surface Vehicle，簡稱USV）是一種可在各種水域環境下、能夠依靠自主方式在水面上航行或執行任務的無人化、智能化移動平臺。包括無人船在內的無人設備，他們都離不開地面站的指揮和控制，地面站是無人設備系統的直觀反映[2]。與無人船以無線通信方式的人機交互的控制端[3]，則要能夠滿足用戶使用無人船的需求，并且可以實現對無人船實時管控操作。其中，文獻[4]能夠實時對無人船船身的速度、偏航角、位置信息、障礙物距離、電池電量等狀態進行監測，但設計單一且兼容性差；文獻[5]可在地面站系統上規劃無人船任務航線，使得無人船按既定的目標位置航行并實時返回無人船的位置信息，做到位置跟蹤，但通信距離短；文獻[6]設計的地面站能實時監控無人船周圍環境，但其視頻監控延時長、費用貴；文獻[7]設計地面站軟件界面可以完成人機交互的過程，但其人機交互軟件功能有待完善；最后，當無人船遇到緊急情況，使用者還可通過遙控器對無人船進行控制。迫于實際應用的需求，本文設計和開發了一套彌補了通信距離短的無人船地面站系統，它是一個集航線規劃任務、航跡追蹤、狀態監測、視頻監控以及緊急遙控輔助等功能于一體的綜合人機交互系統。

1 地面站系統總體組成和設計

地面站系統主要由通信模塊、便攜式計算機、人機交互控制軟件和輔助遙控器組成。

地面站與無人船通信，可接收到無人船的環境狀態數據和視頻信息，也可向無人船發送航線計劃或任務信息和遙控器輔助控制。通信模塊根據無人船和地面站之間距離的大小，分為五公里以內通信單元和五公里之外通信單元兩種通信方式。其中五公里以內通信方式不需要附加費用，由2.4 G頻段數傳模塊和5.8 G頻段視頻模塊組成；而五公里之外通信單元采用4 G頻段視頻和數據通信模塊。當地面站與無人船之間距離超過五公里或五公里以內通信單元出現故障時，可自動切換至五公里之外通信單元，但需要附加流量費用。無人船地面站系統總體結構圖如圖1所示。

圖1 無人船地面站系統總體結構圖

無人船執行任務前需要60 s的啟動自檢，此時將地面站的經緯度坐標發送給無人船，并記錄G0（latX0，lngY0）。當無人船行駛到某點Gx（latX，lngY）時，根據無人船和地面站之間距離計算公式：

式中：為地球的半徑6378137 m。

2 地面站系統硬件平臺

地面站系統硬件主要由2.4 G數傳模塊、5.8 G視頻模塊、便攜式計算機、4 G通信模塊和433 M遙控器組成。

2.1 五公里以內通信單元

五公里以內通信單元包括2.4 G數傳模塊和5.8 G視頻模塊。其中2.4 G數傳模塊選用支持LORA和 FLRC調制機制的 E28-2G4M20S射頻收發模塊，理論通信距離為6000 m，并通過TTL轉RS232模塊與便攜式計算機的USB接口相連。5.8 G視頻模塊由發射機和接收機組成，發射機置于無人船上，接收機通信接口插入便攜式計算機的USB接口。發射機模塊選用Turbowing-TX-2w發射機和FATSHARK蘑菇天線，地面站接收機模塊選用Turbowing-RX-2w接收機和平板天線，工作頻率5362~5945 MHz，理論距離可達5000~8400 m。

2.2 五公里之外通信單元

五公里之外通信單元選用4G通信模塊USR-LTE-7S4，實現地面站便攜式計算機串口到運營商網絡的雙向數據傳輸。五公里之外通信單元功能結構圖如圖2所示。

圖2 五公里之外通信單元功能結構圖

2.3 便攜式計算機

地面站與無人船主要的人機交互是通過上位機軟件實現的，可直觀地反映無人船的狀態，可進行視頻監控無人船的四周環境。采用筆記本電腦，方便攜帶。

2.4 輔助遙控器

地面站還要包括遙控模塊，用戶可以通過在地面站便攜式計算機的視頻監控播放界面，觀看攝像頭拍攝的畫面，通過手動遙控操作，必要時可遠程對無人船進行控制。采用一款LORA擴頻的AS32-TTL-1W工業級無線數傳模塊作為433M頻段無線遙控器。

3 軟件設計和通信協議

3.1 軟件設計

為了方便用戶更加直觀地了解無人船的情況，本文基于Microsoft visual studio應用程序開發環境、運用C#編程語言開發了一款地面站人機交互控制軟件，該軟件能夠在Windows XP、Windows 7/8/10系統下運行。

地面站系統的人機交互界面包括電子地面界面、數據顯示界面、故障警告界面、視頻監控播放界面。地面站系統人機交互界面如圖3所示。

電子地面界面可以加載Google、Yahoo!、 Bing等地圖，并實現電子地圖的基本功能，如拖拽、縮放、經緯度定位等，雙擊鼠標即可設定航點，鼠標右鍵即可對該航點進行刪除、拖動等操作，并可實時顯示無人船的航行軌跡。電子地圖界面的實現是基于GMap.NET控件，成功加載地圖后，首先聲明一個GMapOverlay對象覆蓋在地圖上，接下來的所有操作是在該對象上進行的。GMapOverlay對象包含三個比較關鍵的集合：Markers、Routes和Polygons。通常用Markers來標記地圖上某點，用Routes集合來記錄航行路徑，用Polygons集合可以完成對地圖區域的選擇。

數據顯示界面能夠清晰地向用戶展示無人船船體的航行狀態等數據，包括地面站系統時間、無人船運行時間、經緯度、加速度、角速度、磁場力、GPS航向、GPS地速、偏航角、工控機溫度、電池能源板溫度、超聲波傳感器測量的障礙物距離、電池電量，將以數字的形式顯示數據信息，以便能夠及時獲取狀態信息并對無人船檢測或及時調整。

故障警告界面將以紅色字體的顯示形式，提醒用戶某傳感器模塊出現超出設定閾值的錯誤，及時反映相關信息并做出調整。當工控機溫度和電池能源板溫度超過60℃，需要對無人船進行降溫處理。

視頻監控播放界面可以實時播放無人船傳回的攝像頭拍攝畫面，并可以將某段視頻保存，以供回看。在Windows下基于流媒體處理的開發包DirectShow實現多種多樣的視頻處理需求，首先初始化并創建一個Filter Graph，從com對象中查詢特定的視頻數據進行過濾器Filter，接入接口MediaControl，然后在播放視頻畫面Graph的同時，在本地創建該視頻畫面用于保存。

圖3 地面站系統人機交互界面

3.2 通信協議

地面站系統的2.4G數傳模塊與無人船之間數據通信協議格式如表1所示，對數據進行打包，每包數據32個字節，由包頭、包的序號、數據段、校驗和、包尾組成，其中包頭為數據固定為0x55（1個字節），包的序號為數值（1個字節），表1中數據段由要傳輸的7個數值組成（28個字節），校驗和為前面30個字節相加后與0xFF相與得到的值（1個字節），包尾為數據固定為0xFE（1個字節）。

表1 地面站系統與無人船數傳通信協議

4 地面站系統的實現和測試

將本地面站系統應用在校園內的人工湖泊進行無人船與地面站的數據通信測試和視頻傳輸測試。無人船測試前，需打開電源，進行30 s的冷啟動，完成自身的測量傳感器啟動和自檢，并實時將數據傳輸至地面站。若有數據發生錯誤或超出閾值，需對相應傳感器進行檢查和排除故障后，才可執行任務。測試環境現場圖如圖4。

圖4 測試環境現場圖

4.1 數據傳輸通信和定位測試

為了驗證無人船與地面站系統之間通信是否正常，并且數據是否進行動態更新，現對數據傳輸通信和定位進行測試。

通過兩次定位測試數據，得到兩個位置的經緯度：A1(29.535126881709, 106.606543064117)

A2(29.5351268817, 106.6065323352)

B1(29.535024200366, 106.606537699699)

B2(29.5350195330, 106.6065376996)。

根據無人船和地面站之間距離計算公式，A1、A2之間距離為0.5 m，B1、B2之間距離為1 m，理論定位精度誤差小于2.5 m。

經過測試表明，本系統能在正常的2.4 G頻段下，將數據有效的傳至地面站并顯示經度、緯度、速度、加速度、磁偏角、障礙物距離，地面站也可將任務航線點發送至無人船端，實現雙向通信，延時0.1~3.2 ms。地面站系統數據顯示界面如圖5所示。

圖5 地面站系統數據顯示界面

4.2 視頻傳輸測試

視頻傳輸測試要測試延時和清晰度是否滿足要求。視頻延時傳輸測試時，發射機和接收機選用5945 MHz頻率，發射機蘑菇天線置于無人船船身的最高處，離船面1 m高，地面站接收機平板天線置于地面1~2 m高。用攝像頭拍攝毫秒時鐘，經過傳輸后在電腦界面上顯示時間為1，此時毫秒時鐘時間為2，延時時差=2-1。經過20次測試，延時時差平均為106.5 ms。視頻傳輸部延時測試如表2。

4.3 通信方式切換測試

無人船在行進過程中，要保證通信方式的使用正常。需要完成對通信方式切換時所產生延時的測試，即五公里以內通信和五公里之外通信兩種通信方式切換的延時測試。在五公里以內通信方式下，用攝像頭拍攝毫秒時鐘，通過鼠標點擊“五公里之外通信”按鈕切換至五公里之外通信方式。地面站系統通信方式切換測試如圖6所示，測試結果延時為94 ms。

表2 視頻傳輸部延時測試

圖6 地面站系統通信方式切換測試

5 結束語

本文提出了一種根據距離的不同（以五公里為界限）而選擇不同的通信方式方案，彌補了受通信距離影響的弊端，實現了無人船地面站系統能夠對無人船狀態數據進行監測，包括地面站系統時間、無人船運行時間、經緯度、加速度、角速度、磁場力、GPS航向、GPS地速、偏航角、工控機溫度、電池能源板溫度、超聲波傳感器測量的障礙物距離的實時監測，并實時對無人船周圍環境進行視頻監控，并完成了數據傳輸通信和視頻傳輸測試。

實驗結果表明，無人船與地面站進行穩定的數據通信、視頻傳輸延時非常小，并可靠的完成了無人船航行狀態監測、顯示和報警等功能，系統的架構設計合理，交互界面良好、運行可靠，實用性高。本地面站系統軟件還有不足之處，比如數據可以圖形化顯示，這是后續可以有待優化的。

[1] 張樹凱, 劉正江, 張顯庫, 劉玉. 無人船艇的發展及展望[J]. 世界海運, 2015, 38(09): 29-36.

[2] 盧艷軍, 劉季為, 張曉東. 無人機地面站發展的分析研究[J]. 沈陽航空航天大學學報, 2014, 31(03): 60-64.

[3] 王衛星, 高奕龍, 陳彬彬等. 無人駕駛自動導航水質監測船[J]. 信息技術與信息化, 2014(05): 36-38.

[4] 葛榮, 喬大雷, 張超. 基于Android的無人船地面站控制和監測系統設計[J]. 現代信息科技, 2018, 2(09): 177-178+180.

[5] 馬詩聰, 劉吉桃. 一種基于自主航行的無人水面測量船的研制[J]. 江蘇船舶, 2016, 33(03): 6-8+5.

[6] 賴俊委, 岑佳潼. 基于物聯網通信技術的水質檢測無人船[J]. 通信電源技術, 2018, 35(02): 188-189.

[7] 楊青, 趙鋒, 李陽. 基于C#的無人機地面站軟件設計[J]. 電子質量, 2017(05): 48-51+56.

Design of a Communication Control terminal for a Small Unmanned Surface Vehicle Ground Station

Lyu Xiafu, Cheng Qizhong, Lin Zheng

（Chongqing University of Posts and Telecommunications, Key Laboratory of Industrial Internet of Things & Network Control, Ministry of Education, Chongqing 400065, China）

U674.83; TP273

A

1003-4862（2019）08-0001-0 4

2019-01-23

國家自然科學基金(61275077)，重慶市基礎與前沿研究項目(2015jcyjA40024)

呂霞付（1966-），男，教授，博士。研究方向：智能儀器儀表；

程啟忠（1994-），男，碩士研究生。研究方向：智能機器人。E-mail：775473612@qq.com

林政（1995-），男，碩士研究生，研究方向：深度學習。