水面無人船驅動電機遠程控制系統設計與實現

田延飛，周欣蔚，熊 勇，牟軍敏

(1. 浙江海洋大學，船舶與海運學院，舟山 316022；2. 內河航運技術湖北省重點實驗室，武漢 430063；3. 武漢理工大學，航運學院，武漢 430063)

0 引 言

近年來，隨著電子信息技術及計算機技術的不斷發展，船舶電子推進系統取得了極大突破[1]。電子推進系統因其空間占比小、操作性能好、自動化程度高和維護成本低的優勢，成為水面無人船的主要推進系統[2]。一般地，研究船舶電力推進控制系統的成本較高，同時也存在開發周期較長等問題[2-5]。船舶驅動電機是船舶動力來源，是電力推進系統的關鍵組成。因此，研究并設計出高效的船舶驅動電機控制系統在實際的工程應用中有著重要的意義[6-7]。

目前，智能航運是一項研究熱點。智能船舶是智能航運的重要組成。其中，操縱控制技術是智能船舶關鍵之一。在目前智能航運發展主題下，研究船舶驅動電機的遠程控制、智能控制，對發展智能船舶、促進智能航運、規避海上人員安全風險等具有重要意義。

在應用系統開發方面，作為一款簡單、便捷、易上手的開源硬件產品[8]，Arduino因其各種優勢而被廣泛應用。基于Arduino及其支持的各種傳感器模塊、通信模塊等，能夠方便地實現各種功能，如數據觀測、數據傳輸、本地自主控制、遠程遙控、視頻監控等[9-12]。

針對智能航運時代背景下的船舶遠程操縱與控制，本文介紹一種面向水面無人船的驅動電機遠程控制系統。該系統以Arduino MEGA 2560為中央控制板，采用GPRS實現遠程（無線）通信，以實現遠程控制的功能與目的。

1 控制系統設計

1.1 總體架構

設計的驅動電機遠程控制系統由無人船（艇）端和岸基操控端兩大部分組成。其中，無人船端由船體、無線通信模塊、中央控制板、電機及驅動、電源等構成；岸基操控端主要由操縱輸入設備、中央控制板、無線通信模塊等構成。系統架構圖如圖1所示。

圖1 控制系統結構總體設計Fig. 1 Overall structural design of the control system

船舶驅動電機控制系統中央控制板采用Arduino MEGA 2 560，無線通信模塊采用GPRS。Arduino MEGA 2 560組件與GPRS組件串聯并分別安裝于無人船端及岸基操控端。岸基操控端主要由操縱手柄（電機轉速）、上位機電腦等構成。總體上，岸基操控端操縱手柄用于輸入操縱命令，經無線通信傳輸至無人船端，進而控制電機。同時，無人船端電機轉速等數據經無線通信反饋至岸基操控端，并在上位機電腦進行可視化顯示（無人船運動狀態監測）。

1.2 主要硬件及作用

設計的船舶驅動電機控制系統中控制、通信、動力、操縱、顯示等功能硬件主要有中央控制板、無線通信模塊、電機及驅動、操縱輸入與狀態顯示設備等。

1.2.1 中央控制模塊

設計的船舶驅動電機控制系統采用具有多個輸入輸出接口[6]的Arduino MEGA 2 560元件作為中央控制板。元件工作電壓、接口等參數見文獻[7-8]。

無人船端，中央控制板主要用于：通過控制電平信號的高低來改變電動船用推進器電機的旋轉方向，通過控制PWM值的變化來改變電機轉速，從而實現了對運動方向及運動速度的控制；各設備（模塊）聯動，以實現信息收發功能。岸基操控端，中央控制板主要用于各設備（模塊）聯動，以實現信息收發功能。

1.2.2 無線通信模塊

設計的船舶驅動電機控制系統采用通用分組無線服務（GPRS）技術實現實時無線通信。硬件方面，本文采用USR-GM3P GPRS模塊。

1.2.3 電機及驅動

自行設計并研發出的無人船“海之靈1”采用外掛式整體型船用電動推進器（見圖2）中的直流電機及螺旋槳（圖2線框內部分，2套）。電機工作電壓12 V，輸出功率約800 W。

圖2 船用電動推進器Fig. 2 Marine electric propeller

1.2.4 操縱輸入與狀態顯示設備

設計的船舶驅動電機控制系統中，岸基操控端的操縱輸入與狀態顯示設備主要由左/右轉速操縱手柄、上位機電腦等構成。總體上，岸基操控端的操控命令，經無線通信（由Arduino 2 560和GPRS模塊實現該功能）傳輸至無人船端，進而控制電機；無人船端電機轉速等數據經無線通信反饋至岸基操控端，并在上位機電腦進行可視化顯示。同時，上位機電腦安裝Arduino IDE，GPRS助手等，用于對系統進行開發、調試與配置。

2 操控方式與通信流程

設計的船舶驅動電機控制系統可在2種操控方式實現無線通信與遠程控制：岸基端人工操控和岸基端自動操控。操控方式與系統通信流程見圖3。

1）岸基端人工操控方式通信流程

在岸基操控端人工輸入左車、右車轉速的相關指令；操控指令經Arduino模塊，GPRS模塊傳輸至無人船端，并指示電機驅動；電機響應，改變船舶運動狀態；到達操縱目的，進入狀態保持操縱階段；未達到操縱目的，則繼續執行上述步驟。

2）岸基端自動操控方式通信流程

對航線進行人工規劃：在岸基操控端上位機軟件中輸入目的點；規劃航線經Arduino模塊，GPRS模塊傳輸至無人船端；無人船端進行航線規劃：航向計算；無人船端基于PID計算電機轉速控制指令，并指示電機驅動；電機響應，改變船舶運動狀態；到達規劃航向，進入狀態保持操縱階段；未達到規劃航向，則繼續執行上述步驟。

圖3 操控方式與系統通信流程Fig. 3 Control mode and the communication process

3 測試與驗證

基于模型船、實際無人船“海之靈1”對設計的船舶驅動電機控制系統進行調試、測試，以完成系統研發和應用驗證。試驗內容主要包括遠程轉向操縱、航向保持、旋回操縱、Z型操縱等。

經過實際無人船的測試與應用驗證，本文設計的船舶驅動電機遠程控制系統主要達到了如下功能和效果：

1）操縱與控制

系統執行相應的控制指令，改變電機旋轉速度及方向，實現無人船運動狀態的改變。

2）航向保持與路徑跟蹤

在岸基操控端設置固定的航向或跟蹤的路徑后，控制系統能夠使得無人船保持穩定的航向或跟蹤設置的路徑。

3）無線通信

主要通過GPRS來實現操控端與無人船端的無線通信。

基于實際無人船的驗證表明，本文設計的基于Arduino船舶驅動電機遠程控制系統操作方便，通信流暢，運行穩定，能夠用于無人船遠程操縱和控制。

4 結 語

本文設計并實現了一種面向水面無人船的驅動電機遠程控制系統。系統以Arduino MEGA 2560為中央控制器，包含中央控制模塊、電機驅動模塊、無線通信模塊和岸基操控端。通過遠程控制驅動電機，實現船舶前進、后退、左轉、右轉等運動狀態的轉換；通過GPRS實現無人船端與岸基操控端的無線通信。實船測試表明，系統操作方便，通信流場，運行穩定，能夠用于無人船遠程操縱和控制。系統優勢在于設計成本低、制造周期短、可擴展性良好。系統能夠為船舶驅動電機遠程控制工程應用提供參考，為無人船的發展提供支持。