半實物仿真多艘無人船編隊控制系統的研究與分析

本文設想并試驗了一個實時設備電路的模擬系統，以模擬對多艘無人船舶的編隊控制過程。該控制器可以通過對電壓信號的數模轉換模擬電機控制信號的傳輸和獲取，以及可以通過對串行接口模擬計量儀表的傳輸和數據獲取。將無人駕駛的船舶控制器建立在PC104平臺上，并采用了基于VxWorks的實時控制軟件;又利用了工業計算器和VC++在6.0環境建立了無人值守的船舶仿真中心，并實現了對無人值守船舶仿真過程數據的圖形化顯示。最后，通過模擬實驗證明，該軟件能夠良好地模擬多艘無人駕駛飛行器的編組狀況，在驗證編隊算法和測試無人船嵌入式控制軟件等方面，都具有重要的實用性。

目前，無人船編隊體系的大致發展階段為控制系統方案設計、控制器設計、控制算法實現和實驗驗證階段。在實驗出現問題之后，就有必要返回控制器設計鏈接并進行重新設計。但是，由于無人駕駛的船舶編隊測試成本高昂，而且受各種原因影響，在研發初期，編隊控制系統的設計無法用實際編隊測試進行分析和測試。所以，為了對在研制的早期階段系統進行檢驗和校準，就有必要設計更便于在實驗室進行的設備在環仿真控制系統，通過設備在環境模擬的物理實驗。同時，在MATLAB中對編隊算法進行模擬后，可以忽略模型間數據的延遲和精度損失，這種問題很可能會使得實際系統中的編隊計算存在差異。而環路模擬硬件則能夠取代這種問題，從而更加高效地進行計算實驗。所以，無人船編隊回路模擬裝置對于驗證控制系統設計和編隊計算有關鍵意義。

一、無人船系統總體方案設計

（一）系統操作

目標要求，無人駕駛技術船舶與水質檢測等方面的技術聯合可以大大提高水質檢測工作的有效性。目前，由于中國對無人駕駛船編隊技術的研制投資較少，面臨著編隊制導算法難以實現、定位精度降低、不利于編隊穩定性等問題[1]。在此基礎上，可以設想一個無人編隊系統，該系統應當符合下列條件。為了滿足低噸位、裝卸方便的要求，必須設計小型、輕型無人駕駛船舶。實時執行任務。在飛行與編隊的控制階段，無人值守艦船須同時負責傳感器數據讀取、位置統計、位置管理、命令分析等任務[2]。對它們系統的即時性能也有高度的要求，還必須負責任務之間的統一調度工作，以中斷因任務沖突而產生的任務。該系統利用無線模塊與地上站點連接，利用地上站點顯示航行數據并提供無人船編隊指示，從而完成航跡設計功能。

（二）控制系統的基本構成

該控制系統主要由無人駕駛航空器編隊、互聯網通信系統和地上站點三個部分構成，以地上站點為主要的監控單位。數艘無人值守船舶可以下載收集的數據，并在船站收到指令。余艘無人值守船舶之間的消息則經由無線網絡傳遞。控制系統的總體結構如圖1所示。

1.無人駕駛的船舶主要由船體、船舶控制系統和供電構成。船舶還設有控制系統和供電。而無人船編隊平臺的船舶控制系統則包括定位、位置檢測、電源和無線通信等模塊，能即時接收無人駕駛的定位、航向、轉速和功率。船舶控制系統還能夠將數據到地上站點或在地面站顯示，接收并分析地上站點所發出的數據和命令，從而有效監控無人值守艦船的運動[3]。

2.網絡通信是連接多艘無人駕駛船舶和地面站的關鍵。

3.一些地上站點甚至是沿海站，主要通過聯系無人值守艦船實現人機交互、全通信和數據傳輸。

（三）關鍵技術的選擇

在對多艘無人船編隊的監控研究中，需要先明確其結構，以及無人船之間的監控與通信模型，充分發揮其優越性[4]。該結構確定了無人值守艦艇實施任務的邏輯關系，確定了任務分配與問題解決的方法，還與系統實現的軟件與硬件選擇相關。集中性通常意味著每個無人值守艦艇都會聽到特定核機器人的指令，以及由核機器人負責接受到的信號。核機器人主要采集編隊中每個無人值守艦船的數據，利用高度算法得出各個無人值守艦船的預期方位和運動，以獲得編隊效果[5]。目前，它是一個比較成熟而容易實施的編隊展示方式，主要適用于無人駕駛船舶的編隊展示活動。在分布式系統中，每艘無人駕駛船都擁有相同的能力，可相互交換信息，并擁有決策與評價的能力。而分散結構的信息交換范圍較小，對每個人來說都是一個單獨的信息系統，因此一只無人值守艦艇的損壞并不能影響整個運行。顧名思義，雜交技術就是對上述二個結構的綜合，以及對這二個結構結合的共同特征。他將整個系統分為若干小組，再匯集為一個小組。

（四）總體技術路線

通過對無人裝配系統結構和關鍵技術的選擇，確定了圖2所述的一般技術路線，并提供了主要系統算法組成部分。

二、無人船硬件設計

（一）仿真模擬

仿真應滿足執行船體狀態、串行端口數據傳遞和模擬電壓讀數等三種功能。為此，設計的仿真系統由一套裝有三個標準RS-232串行端口和PCI擴展A/D和D/D擴展板的工業計算機系統實現[6]。這里選用的9112擴展板，共包含16個A/D通道，能夠滿足用戶的需要。控制節點根據需要進行電子傳感器數據接受、無線通信數據接受與傳送、電機電壓傳輸等功能。其中，數據的接受與傳送均以串行端口方式執行，電壓則以模擬電流信號的形式傳遞。所以，控制器節點的設計均采用了內置PC一百零四控制平臺，并設有二個RS-232串口和二個A/D出口通道。

（二）遠程控制中心

遠程控制中心應執行接受和傳送無線通信數據的功能，其數據的接受與傳送均采用串聯型接口實現。為此，遠程控制中心的設備設計使用了標準筆記本電腦，并選擇了USB-RS-232串行型接口[7]。模擬中心與測控節點之間有二種連接，它們為標準串口和二個D/A和A/D通道。其中，標準串口完成了對傳感器數據的模擬，而二個D/A和A/D通道則完成了對二臺電機控制電壓傳輸的模擬。而測控船與遠程中心之間有一種無線通信網絡，該網絡由一種無線模塊組成，以進行信號交流，該通信接口也可簡化，并從邏輯上可以理解為串行通信。

Simulation Center軟件是VC++6.0編制的MFC編程，包含了串口控制器、Pci9112擴展卡控制器，以及曲線繪制組件[8]。閉環仿真系統的硬件設計要求仿真控制系統實時接受控制節點的輸入信息并形成實時動態輸出，高實時性能夠提高零點五實物模擬系統的穩定性與精確度。該軟件通過多媒體定時器技術來實現模型迭代的實際性能，定時精確度約為一毫秒。而基于經驗，對無人駕駛船舶模型的仿真階段約為10毫秒。使用Visualc++WM對傳感器進行了調度，以及定時器消息映射的實現。并通過基于對象的軟件設計方法來仿真無人值守的船舶，設計類別cautausv補充了對無人值守船舶的內部運動學模擬，提供了與無人值守的船舶內部運行空間密切相關的所有參數，并將其封裝到該類別中用作私有輸出。通過采用這種方法，將無人值守船舶的內部運動空間完全利用這種內部動作完成。同時通過對無人值守船舶特性的解析，需要一個功能來實現無人駕駛船舶狀態的實時重復，以解決下一時刻船舶的狀況，并規劃一個功能cautausv：：onestepo來實現船舶狀態的重復，它不僅能及時模擬船舶的運動。還需要設計函數cautausv：：getstateso來實現無人駕駛船舶狀態的輸出，與使用傳感器測量船舶狀態相對應。還必須設計cautausv功能：一個用于外部控制設備的控制功能，對應于影響船舶狀況的螺旋槳運動。無人造船系統的軟件設計主要包括以下幾點。

1.UC/OS-II操作系統的傳輸和任務分配

執行編隊任務時，處理STM32任務和計算數據的要求很高。UC/OS-II操作系統能夠實現任務共享和調度，如讀取數據、計算姿態和接收無人駕駛船只的命令，以確保任務的實時完成。

2.無人造船控制系統軟件的實現

包括位置數據融合、導航控制和編隊控制軟件的設計與實現。

3.通信編程

無人駕駛船舶通過Wi-Fi連接到地面站進行數據傳輸。模擬軟件模擬的傳感器輸出格式如圖4所示。

（一）構建系統

根據上述章節所述無人造船系統的設計，本章將對三艘小船進行測試，并通過表面物理測試驗證監控系統形成的可行性。驗證監測多艘無人船編隊的有效性和穩定性。從編隊算法、船體結構、軟硬件系統的設計到地面站系統的實施，圖5所示無人編隊控制系統的原型開發已經完成。圖（a）是內部硬件連接圖，圖（b）實際上是完成的三艘無人駕駛船只。原型平臺搭建完成后，首先測試內部控制面板，確保其正常運行。然后用遙控器檢查無人駕駛船舶的葉片是否正常旋轉。與地面站系統一起，三艘無人駕駛船舶通過TCP/IP協議連接到地面站，以測試連接是否成功。試驗在實驗室進行，電機通過遠程控制和地面站可以正常運行;GPS內部信號弱，難以在地圖上顯示，地面站連接正常。

（二）實驗分析

控制平臺完成后，發射測試將測試一艘無人駕駛船舶的導航功能和多艘無人駕駛船舶的編隊功能。試驗場地位于實驗室后面的河流，相對平靜，沒有障礙物。測試的第一步是確定地面站每艘無人船的目標點，并觀察無人船是否到達指定位置。其次，將數據作為編隊的導航路線發送給飛行中的無人船，并觀察多艘無人船的編隊。最后，應測試無人駕駛船舶信號的接收能力和耐久性。無人駕駛船舶接收信號的最大距離為100米，連續航行15分鐘后可返回初始位置，滿足試驗要求。

隨著水資源保護的重要性越來越顯著，與多艘無人駕駛船舶合作的水質監測技術也將受到更多關注。作為水質協同監測的關鍵技術，多艘無人船編隊技術越來越受到人們的關注。本文根據國內外無人船編隊的研究現狀，定義了無人船編隊系統的具體要求和系統體系，開發了無人船編隊監控系統。通過編隊控制器進行編隊控制，并通過EKF過濾技術提高無人駕駛船舶的定位精度，以確保編隊過程中的編隊穩定性。

參考文獻：

[1]萬占鴻，王艷，宋天予，等.基于協同云控制的多無人船編隊協同控制系統及方法.CN108200175A[P]，2018.

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[3]陶瑞.無人船控制系統設計與研究[J].電子技術與軟件工程，2020（21）：2.

[4]龔波.無人船航向控制器設計與仿真研究[D].廣西大學，2019.

[5]張桂軍，馮凱，呂錦釗，等.對無人船控制系統的初步研究及應用[J].廣東造船，2021，40（1）：4.

[6]關海濱，艾矯燕.全局快速終端滑模控制在欠驅動無人船鎮定中的應用研究[J].廣西大學學報：自然科學版，2018，43（6）：12.

[7]張舵，劉滿國，章校，等.基于半實物仿真環境的系統誤差分析研究[J].系統仿真學報，2019，31（1）：7.

[8]段素文.關于船舶綜合控制系統研究與設計分析[J].中國水運（下半月），2014，14（11）：113-117.

作者簡介：楊曉昆，男，遼寧葫蘆島人，漢，1983.12，大學本科，研究方向：從事無人船舶、編隊控制。