多任務模式下的水空一體化無人監控系統協同運行技術研究*

卞大鵬 陶大甜 巴夢圓 韓 一

（1.海軍裝備部駐武漢地區第二軍事代表室 武漢 430064）（2.武漢理工大學信息工程學院 武漢 430070）

1 引言

內河航運作為水資源合理開發和綜合利用的主要途徑，在現代綜合運輸體系中扮演著重要的角色［1］。內河航運發展作為國家戰略，其快速變化導致船舶數量與日俱增，這對船舶智能化設計的需求日趨明顯。同時，內河船舶管理水平和船舶性能狀態受我國內陸區域經濟發展不平衡的限制，存在很大的差別，船舶污染物排放法規制定相對滯后，船舶違規排放難以監管，嚴重威脅到內河水質的安全。

隨著航道上的運輸船舶數量的增多，船舶事故發生率正在不斷增高。根據《2020年交通運輸行業發展統計公報》顯示，2020年全國共發生內河航道交通事故138件，死亡、失蹤人員196人，沉船76艘［2］。如何利用先進的信息、空間技術和有效手段實現對船舶實時監控、雙向通信和反饋處理結果，進而降低航道交通安全面臨的威脅［3］，對航運監管至關重要。

航運管理部門大多采取人工和巡航艇巡航的監管方法，只有一些發達城市的內河航道使用單一無人機或無人船輔助監管的智能系統監管方式。解決當前監管方式存在的問題，例如，無人船的環境感知能力有限，小范圍的觀測不利于后續的任務籌劃［4］。同時小型無人機受蓄電時間短的限制，無法將時間全部用于執行監控任務，需要花費大部分的時間回到出發點補充電能后再飛至任務點作業。基于Won［5］等的分析，本文結合無人機的廣域環境感知力和機動能力與無人船的局部環境感知力和長續航能力，提出復雜環境下的水空一體化無人監控系統。

2 水空一體化無人監控系統的構建

水空一體化指的是水中的無人船和空中的無人機協同合作，同時船機與岸上平臺信息交互，操作人員可遠程控制完成環境信息采集工作和救援任務，同時在功能完善的船舶管理系統端實現對船舶的有效監控，保障船舶正常完成各項任務。

基于以上分析，文章以實現水空一體化無人監控系統為出發點，設計與實現帶有無線充電裝置的輔助降落平臺、系統協同控制監控平臺、無人機自主降落功能和無人機高效無線充電技術。本監控系統的各個部分通過無線通信技術相連，在系統協同控制監控平臺上可實現遠距離控制和監控信息的匯總，以滿足內河航運監管的需要。

3 系統設計與實現

本系統主要由三個部分構成：自主導航無人機、雙體噴推無人船和協同控制監控平臺。系統整體結構如圖1所示。

圖1 系統整體結構圖

3.1 自主導航無人機設計與實現

四旋翼無人機的實物圖如圖2所示，硬件組成部分中的旋翼為無人機提供必要的航行供給［6］。

圖2 無人機實物圖

飛行控制中心包含有電源模塊、控制器、通信模塊和傳感器模塊，其中傳感器模塊包括陀螺儀、GPS模塊、氣壓計、磁力計等［7］。無線充電模塊由3D打印的線圈架、無線充電線圈和充電電路組成。無人機的通信模塊為2.4G數據傳輸和5.8G圖像傳輸模塊。2.4G數據傳輸模塊用于接收協同控制系統的控制命令以及發送無人機的狀態信息到協同控制系統。無人機主控板按照接收到的控制命令輸出相應PWM波，飛控中心根據不同PWM波向電調輸出相應信號，電調驅動電機完成指定動作。傳感器模塊中：GPS獲取無人機當前的經緯度信息，陀螺儀獲得無人機當前的姿態，氣壓計獲得無人機的當前高度，電壓檢測模塊用于實時測量無人機的剩余電量。攝像機安裝在無人機底部中心，通過5.8G圖像傳輸模塊將攝像機拍攝到的實時畫面傳輸到協同控制平臺［8］。

基于文獻［9］中對無人機基礎運動控制對討論，本文設計了GPS導航定點飛行算法，如圖3所示。

圖3 GPS導航定點飛行算法流程圖

導航算法的實現是基于無人機上的硬件結構GPS模塊以及PC端上的上位機。當無人機導航指令發出時，上位機上的導航功能開始執行。上位機通過獲取無人機GPS經緯度與目的地經緯度，準確計算出經度差值和緯度差值，并實時比對兩差值與0的大小關系來決定給無人機發送何種飛行指令，每秒20次的對比頻率能保證無人機不會偏離設定的軌跡［10］。無人機接收到飛行指令后不斷接近目標地點上空，與目的地的距離達到閾值范圍內時，導航停止，實現自動導航。同時，無人機的速度大小也受目的地的距離控制，在離目標地點較遠時，無人機以較快的速度行進，到達目標附近后，無人機速度降低為后續的圖像識別降落做準備以提高降落穩定性和精準度［11］。

3.2 雙體無人船設計

根據實際需要，系統所用無人船甲板面積應足夠大以便于無人機降落，同時綜合考慮成本及其他因素，我們最終選擇雙體船作為無人船船型［12］。雙體船相對于單體船而言，具備良好的穩定性，這有利于無人機的成功降落。我們采用母型船改造法，以某高速艇作為母型船，片體瘦長并采用球鼻艏和方尾，并根據無人船的性能和工作要求進行設計［13］。無人船船體主尺度見表1所示。

表1 無人船主尺度

無人船推進器采用噴水推進的方式，具有效率高、操縱性好、安全、成本低、適用于淺水環境的優點［14］。矢量噴口利用連桿機構與舵機相連，可實現在左右方向最大15°的偏折［15］。

3.2.1 無人船控制模塊設計與實現

無人船的通信模塊與無人機的相同，2.4G數據收發模塊用于接收協同控制系統的控制命令以及發送無人船的狀態信息。無人船的接收到遠程操作指令后控制驅動器，驅動器驅動電機完成指令。GPS和陀螺儀的功能與無人機也相同。在無人船的前方設置測距雷達，用于獲得前方障礙物距離信息并避障。同時，在無人船前端艦島上設有攝像頭，用于拍攝周圍環境，通過5.8G圖像傳輸模塊將攝像頭拍攝到的實時畫面傳輸到協同監控系統。船上還設有專用的船載降落平臺，用于無人機的起降，以及帶滑臺控制的無線充電模塊，用于給降落的無人機補充電量。

3.2.2 船載工控機顯示界面設計

界面主要由四個部分組成，串口連接控件：實現與GPS、主控板和岸機的串口連接功能和數據發送接收功能；無人船信息控件：航行狀態用于顯示當前時刻無人船的經度、緯度、續航里程、電量和陀螺儀用于顯示無人船航行姿態；攝像頭控件：通過拍攝畫面獲取當前水面信息；功能控件：有兩個功能按鍵錄像與雷達，其中錄像用于開始攝像頭窗口錄像，雷達用于獲得前方障礙物距離信息，并輔助無人船避障。

3.3 基于PC端的遠程控制系統

3.3.1 上位機用戶界面設計

上位機監控界面由系統信息、功能控制、無人機和無人船監控控件構成。系統信息框用于顯示無人機與無人船的工作狀態，無人機飛行狀態包括無人機四路通道值、經緯度、高度、航向以及電量，無人船航行狀態包括陀螺儀四項參數（俯仰角、航向角、滾輪角、溫度值）、船速、無人船經緯度及電量。功能框中的按鍵用于實現無人機、無人船和無線充電平臺上的相應功能。水面信息由監控控件獲得。河道工作站監控人員可根據信息控件判斷系統狀態，利用功能控件控制系統并執行相應任務，利用監控控件實現實時監控。

3.3.2 上位機軟件設計

PC機與無人機主控板和攝像頭分別通過2.4G數傳和5.8G圖傳實現數據的傳輸，并將相關信息實時顯示在上位機上。主控板接收并解析由串口傳輸的控制無人機飛行狀態的指令后，傳輸給飛控平臺。無人機的飛行狀態以及機載攝像頭拍攝的實時畫面也以此原理傳輸傳回給PC機，最終實現無人機的遠程PC上位機控制與實時監控。上位機將圖形界面的指令發送給主控板，主控板收到指令后依次對指令、按鍵沖突狀態、按鍵狀態進行判斷，隨后將解析后的指令傳輸給飛控改變對應通道值，實現相應動作。無人船的控制原理與無人機的控制相似，PC上位機發送的指令由無人船主控板解析并直接控制無人船噴推及倒車斗。所有關于無人機與無人船算法的復雜運算都在PC機上進行，無人機與無人船只接收并執行由PC機傳輸過來的基本指令，這樣做提升了無人機、無人船對于相關指令的反應速度以及程序的穩定性與準確性。

3.3.3 無線充電裝置結構設計

該結構包含無線充電模塊、電流充電管理模塊以及自主移動充電臺控制模塊。無線充電模塊用于將船載電源輸出的直流電經過由電能轉化為磁能最后又轉化為電能的過程輸出，達到能量轉化的目的［16］。充電線圈發射端固定于移動平臺處，接收端固定于無人機底部機架中心處；電池充電管理模塊為了提高充電電路的工作性能與充電速率，會根據鋰電池狀態改變充電方式，延長鋰電池壽命［17］。通過獲得船載電源的輸出功率，判斷并自主移動直至尋找到能量轉化功率最大值處進行快速充電［18］。充電保護單元用于檢測充電電流與電池電壓，防止出現過壓及過流現象［19］。

4 關鍵技術

4.1 船載無線充電技術

受限于電池技術和充電技術，無人機續航時間較短而不得不返航補充電量，在很大程度上制約了無人機的實際應用。它們的作業時間無法滿足作業需求。無人船無人機協同控制系統需設計充電模塊補充無人機電量，增加系統工作時長。針對以上問題，我們設計了一套船載無人機無線充電裝置，其實物圖如圖4所示。

圖4 無線充電實物圖

當無人機成功降落在船載降落平臺上后，充電臺開始自主移動尋找最佳無線充電位置。電機的動力供給制約滑臺的挪動。在滑臺移動過程中，電流采樣單元實時采樣充電電流，判斷發射功率是否達到最大值，在最佳充電位置滑臺停止移動以達到最大充電效率［20］。

4.2 無人機與無人船協同控制監控方式

針對單類型無人機或無人船的監管方式存在無人機續航里程短，無人船機動性差、視野范圍有限等難以克服的問題，提出了船機協同控制與監控方法，以提高系統工作效率。利用無人機與無人船協同工作，有效地彌補了無人船視野范圍小的不足。同時在無人機電量不足時，使用無人船的無線充電設備為無人機充電，延長了其作業時間。水空一體化無人監控系統合理分配資源，減輕了無人船和無人機的數據處理負擔，將復雜的數據處理計算交給岸上PC機，延長二者的作業時間。

4.2.1 協同控制原理

為了達到上述目的，無人船與無人機協同控制系統組成包括無人機、無人船及岸端監控平臺。

協同控制系統接收岸端監控平臺發送的任務指令，輸出控制信號，控制無人船與無人機協同完成作業。

岸端監控平臺即上位機控制軟件，用于顯示無人船、無人機的狀態信息，發送任務及航線給協同控制系統，也可通過手動控制二者合作。岸端監控平臺可調用電子地圖，通過在電子地圖上標記起始點、終止點位置自動生成無人船與無人機的航線。無人機和無人船的狀態信息為系統運行過程中的必要信息。

任務發布時，岸端監控平臺將當前時刻的無人船、無人機狀態信息發送給協同控制系統，控制器根據當前計算資源、網絡控制參數、經驗池數據開始計算任務分配執行情況，將計算結果轉化成最終控制信號，通過點對點通信，監控平臺將控制命令分別發送給無人機和無人船，控制無人機、無人船按指定的姿態指定的速度到達指定的位置完成指定的工作。

基于協同控制理論的無人機與無人船協作控制系統利用無人機與無人船協同工作，有效地彌補了無人船獲得空域信息的缺陷，而無人船也在適當的時間點為無人機補充電能，避免無人機休眠；同時，基于協同控制，合理利用資源，減小了無人船和無人機的數據處理負擔，降低無人船和無人機的能耗，使系統的續航能力增強。通信模塊滿足工作數據傳輸速度和空間遠近的要求。

4.2.2 協同監控平臺

無人機功能控制主要包括地圖導航、自動前往、目標跟隨、自主降落［21］。地圖導航功能用于獲取無人機將要去往的目的地坐標并將其顯示到目的地坐標窗口中，自動前往功能用于實現無人機根據地圖導航得到的經緯度和高度自動飛行前往，目標跟隨功能用于實現無人機跟隨無人船飛行，并且可以成功在無人操控的狀態下由空中落到船上。

地圖導航功能用于獲取無人船將要去往的目的地坐標并將其顯示到目的地坐標控件中，軌跡航行功能用于實現無人船沿既定軌跡航行，軌跡顯示功能用于在軌跡顯示子窗口中同時實時實現顯示無人船航行軌跡與無人機飛行軌跡，其顯示結果如圖5所示。在軌跡顯示子窗口中，每一小段的比例尺為5m，紅線表示無人機飛行的軌跡，黑線表示無人船航行的軌跡。

圖5 軌跡顯示

監控部分由拍照設備和識別設備構成。攝像頭控件用于顯示無人機實時拍攝的畫面。

4.2.3 水質監測

現階段的水質監測移動船主要應用于面積較大的水域。為了滿足常規檢測和應急測量的需求，常依靠水質監測船攜帶多種水質檢測設備，內河的水質劣化情況和預警監控能力得到很大的提升。但這種做法需要配備數名工作人員，造成大量資源的浪費。城市水質的監測大大依靠人工，它更需要一種資源節約型、適應多種場景的水質監測設備。

為解決上述問題，無人船上加入了pH值傳感器和濁度傳感器，能夠在對水面狀況監控的同時對該片水域的水質進行檢測。依據國標，不用的pH值對應不同的水質種類，如表2所示。

表2 國標水質種類與pH值對應表

現階段水質檢測儀中包含pH值傳感器，其能夠檢測水體pH值并通過引腳電壓信號U進行反饋。其換算公式如式（1）所示：

為了衡量水質是否清澈，我們選用了濁度這一標準。無人船在搭載無人機進行監控工作時，不僅自身承擔一部分監控功能，同時能夠通過無人船附帶的水質檢測儀，實時監控水質并反饋上位機。監控者通過該數據判斷該水域水質情況。例如，在污染物泄露水域內尋找污染源的任務中，無人船通過水質檢測儀尋找水質數據與正常水質有較大不同的區域，此時監控者可派出無人機，通過俯視視角進一步確定泄露源區域，實現無人機與無人船的協同工作，完成污染源的精確定位。

5 系統測試與分析

5.1 實驗目的

為驗證系統的可靠性，對系統整體工作效果進行測試，以進一步降低系統的誤差，提高系統的精度。主要測試系統完整的協同控制功能，即無人機在無人船上起飛并沿著預設軌跡跟隨無人船飛行，并可以在輔助降落平臺上及時補充電量。

5.2 系統整體協同控制實驗

為了測試系統整體協同監控功能，我們進行了一次模擬內河非法排污監測過程。實驗過程顯示，系統在航行模式時，無人船搭載無人機向預定目標地航行；跟隨模式時，無人機能在一定距離范圍內跟隨無人船；當執行水質監測任務時，水質傳感器檢測到pH值或濁度值超標時，可派出無人機進行詳細拍攝并確定污染區域；當無人機自主降落時，存在無人機因未能完全降落到輔助降落平臺中心而碰到輔助降落平臺邊緣后滑落到平臺底部的實驗現象；無線充電裝置可對無人機進行電能補充，但受降落誤差的影響，充電功率不是最大。

5.3 實驗結論

實際系統及各單一模塊實驗表明，系統可較好地實現無人機、無人船和PC上位機相互聯合，各模塊的功能可以分別實現，設計系統的要求得到滿足。但系統整體協同控制方面仍存在一些問題需要改進，后期將繼續進行該方面的實驗，還需優化軟硬件參數，滿足協同系統能夠適應不同的環境需求。

6 結語

針對當前內河航運監管、觀測范圍有限的問題，本文提出了多任務模式下的水空一體化無人監控系統協同運行技術。首先設計并實現了改進型圖像濾波算法和控制權轉移判定算法，提高了無人機自主降落到無人船上的精確度和可靠性，準確率達到85%以上。其次，提出了一種自適應式無線充電裝置，彌補了無人機執行任務時能力短的缺陷。最后基于PC上位機開發了無人機與無人船協同監控平臺，實驗結果表明，該平臺具有對無人船、無人機的遠程智能控制與航行軌道規劃、無人機自主降落、無線充電等功能，滿足河道管理對監控系統的智能化操作的需求。