基于尾滑道的無人艇自主引導回收系統開發與驗證

葉曉明，游少杰，劉 祥，王泉斌，李偉光，高翰林

(1. 華中科技大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430074；2. 中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

0 引 言

水面無人艇（unmanned surface vehicle，USV）是一種以自主方式在水面航行的無人化、智能化作業平臺，通過搭載多種傳感器可實現中遠距離的無人作業。無人艇具有體積小、機動性強等特點，被廣泛應用于水面救援、反魚雷、反潛戰等多個領域[1–4]。

隨著無人艇應用領域越來越廣，對無人艇收放裝置研制的需求越來越高[5]。目前，無人艇的收放主要依靠人工操作，方法包括吊放式、塢艙式和尾滑道式3 種。

吊放式布放相對比較簡單，但在回收時由于海上風浪的影響，無人艇與母艦難以保持相對靜止，存在無人艇著鉤難的問題。而在起吊過程中，無人艇與母艦不可避免會發生碰撞造成一定的損傷[6–8]。塢艙式布放和回收都比較簡便，但對于母艦結構破壞較大，對母艦結構要求較高。尾滑道式的優點在于不對母艦結構造成破壞且尾滑道結構簡單，受水面狀況影響較小，回收布放都比較穩定、高效，存在的問題主要在于無人艇尾滑道沖坡時的對中和控制等較為困難。對比上述3 種人工回收方法，尾滑道式收放技術在母船船體結構要求、水面狀況適應能力、收放效率等方面的綜合性能最適用于無人艇快速自主收放。

本文以某型7.6 m 柴油動力小艇為研究對象，通過無人化改造，研制并搭建基于尾滑道的無人艇自主引導回收系統。在此基礎上，對各功能模塊和改造后無人艇性能進行測試，并進一步開展無人艇自主引導回收模擬試驗，驗證無人艇自主引導回收方案的可行性。

1 整體方案設計

無人艇是包含有多種功能的智能控制系統[9–10]，涉及到通信、導航、控制等多個學科。根據無人艇自主引導回收的需求，設計無人艇自主引導回收系統，原理如圖1 所示。系統包括無人艇端自動控制模塊（下位機）和母船端監控引導模塊（上位機）。在自主引導回收過程中，無人艇端自動控制模塊負責將實時的無人艇相對位置、航速、航向以及視頻圖像等信息傳回母船端。同時，根據母船端的指令，控制柴油機、翻斗和噴泵，實時調節無人艇的航速和航向，完成無人艇的引導回收。母船端監控引導模塊根據無人艇端傳回的圖像及實時數據判斷無人艇所處狀況，通過人工智能算法引導無人艇更好地完成自主回收。

圖1 無人艇自主引導回收系統設計原理圖Fig. 1 Schematic diagram of autonomous guidance and recovery system for USV

無人艇端自動控制模塊（下位機）主要由艇端控制器、導航定位系統、動力控制系統、通信系統、電源系統等五大子模塊組成。艇端控制器通過導航定位系統的GPS 和視覺模塊獲取無人艇相對位置及姿態等信息。通過動力控制系統控制柴油機油門大小、翻斗開度和噴泵出水口角度調整無人艇的航速與航向。通過通信系統的數傳電臺與上位機按照自定義的通信協議進行實時數據信息傳輸，通過艇端視覺模塊與上位機進行圖像信息傳輸。電源系統則負責艇端各子模塊的穩定可靠供電。

母船端監控引導模塊（上位機）以母船端工控機為核心，搭載了遙控手柄模塊、數傳電臺、母船端視覺模塊、GPS 模塊、電子羅盤和尾滑道掛鉤信息采集模塊等六大子模塊。母船端工控機通過數傳電臺及母船端視覺模塊接收無人艇相對位置、姿態及圖像等信息，將無人艇的實時狀態顯示在監控軟件上。同時，采集母船端GPS、電子羅盤的位置、航向信息，完成無人艇回收路徑的動態規劃，并通過數傳電臺將母船的信息及相關控制指令發送給無人艇端自動控制模塊，引導無人艇更好地完成自主回收。

2 系統研制

2.1 無人艇端自動控制模塊

2.1.1 艇端控制器

艇端控制器是無人艇端自動控制模塊的核心，需要從導航定位系統中獲取無人艇的相對位置及姿態等信息；通過通信系統與母船端系統建立實時通信；通過對動力控制系統發動指令，控制柴油機油門大小、翻斗開度和噴泵出水口角度，調整無人艇的航行狀態。因此，艇端控制器需要有足夠的通信、控制接口來完成上述功能。此外，艇端控制器也是自主引導回收算法的載體，需要完成回收引導路徑跟蹤制導、航向航速控制等算法的計算，要求具有一定的計算能力。

2.1.2 導航定位系統

在無人艇自主引導回收過程中，結合GPS 及視覺導航定位的優缺點，將整個回收區域分為遠程GPS 引導回收區和近程視覺引導回收區。

在遠程引導回收區域，通過GPS-RTK 技術采集無人艇相對位置、姿態等信息；通過路徑規劃，實現無人艇的自主導航。GPS-RTK 系統由基準站和移動站組成，在自主引導回收系統中母船端作為基準站，無人艇端作為移動站。母船端接收機和無人艇端接收機同時接收同一衛星發射的GPS 信號，將母船端獲得的GPS 值與此處的位置信息進行比較，便可得到一個差分更正數據，將該數據傳遞給無人艇端進行差分運算，從而得到無人艇精確的實時位置、角度等信息。

在近程回收區域，通過視覺模塊獲取無人艇實時狀態信息。視覺模塊采用類似于飛機光學輔助著陸的思想，在母船端和無人艇端分別安裝指示燈。通過雙方互看的機制，利用小孔成像的原理，將無人艇與母船的相對位置、姿態信息轉換為距離D、航向角 ψ和方位角θ，如圖2 所示。

圖2 無人艇自動回收相對坐標示意圖Fig. 2 Schematic diagram of relative coordinates for autonomous guidance and recovery of USV

視覺導航定位系統主要分為母船端視覺模塊和無人艇端視覺模塊組成。在母船端和無人艇端視覺模塊中都以微型處理器為核心，采集搭載在云臺上的GoPro 場景相機和工業相機的實時數據，通過數傳電臺和圖傳模塊實現無人艇相對位置、姿態及圖像信息傳輸。經試驗測試，視覺導航定位系統的測距平均誤差為0.15%，最大角度誤差為1.5°。

2.1.3 動力控制系統

為滿足尾滑道回收的要求，選用一艘柴油動力艇，艇體采用深V 折角型，主要參數如表1 所示。

表1 無人艇主要參數表Tab. 1 Main parameters of USV

小艇采用噴水推進系統[11]，柴油機輸出軸通過萬向軸與噴水推進器相連，為其提供動力。操舵舵柄連接的液壓裝置可以控制翻斗的開度及噴泵出水口角度，在轉速不變的情況下，可輕松實現無人艇的倒車和轉向等功能。

無人艇動力控制系統，主要是針對柴油機油門大小、翻斗開度及噴泵出水口角度3 個對象進行控制，從而實現無人艇航向和航速的控制。利用軟軸將2 個電推桿分別與發動機油門拉桿、翻斗操作舵柄進行連接，采用位移式拉桿對發動機油門和翻斗開度進行控制。

在對噴泵出水口角度進行控制時，采用液壓泵正反轉的方法。在噴水推進器液壓系統中安裝可以正反轉的電動液壓泵，同時在液壓推桿的一側安裝舵角傳感器實現噴泵出水口角度的實時測量，配合完成無人艇舵角的實時調節。

2.1.4 通信系統

通信系統主要用于無人艇與母船端系統實時通信。在自主引導回收過程中，無人艇端需要通過通信系統獲取母船端的操作指令和實時狀態信息。同時，無人艇端也要向母船端回傳實時的狀態信息，便于母船端更好地監控與引導無人艇實時回收狀態。無人艇端的通信系統主要由數傳電臺組成，工作在2.4 GHz頻段，有TTL 電平數傳接口和RS232 接口，可同時實現數字信號的高速無線透傳，最大傳輸距離可達5 km。

2.1.5 電源系統

電源系統負責為無人艇各子模塊設備供電，主要分為控制電路和無人艇操作臺電路兩大部分，供電需求有24 V，12 V，5 V。在無人艇上安裝2 塊6-CQW-100 蓄電池作為電源，負責柴油機啟動、操作臺設備及控制系統設備等的供電。由于無人艇搭載了柴油機、噴泵等動力設備，當柴油機啟停時，在控制電路中會有大電流產生，容易造成電源電壓的波動。而對于控制電路來說，電壓較大的波動會影響設備的正常工作。因此，在控制電路供電部分，分別采用了隔離穩壓電源模塊，保證供給電子設備的電源電壓保持穩定，在駕駛艙附近設置有電源總開關，經過24 V 隔離穩壓電源模塊后供給發動機、翻斗控制器、電動液壓泵。

2.2 母船端監控引導模塊

2.2.1 無人艇引導回收中控臺

母船端監控引導模塊（上位機）負責無人艇實時狀態的監測、無人艇回收路徑實時規劃及無人艇引導回收控制指令的發送。

2.2.2 無人艇引導回收中控軟件

完成上位機硬件設計后，基于C#軟件開發平臺編寫了無人艇自主引導回收控制軟件。無人艇上位機控制界面主要分為信息顯示區和按鍵操作區。信息顯示區主要包括：無人艇回收動態軌跡圖、母船端視頻圖像、無人艇端視頻圖像以及無人艇GPS 航行軌跡圖等圖像信息的顯示。此外，還包括無人艇狀態、GPS 慣導信息和圖像識別信息等數據的顯示。

3 試驗測試

3.1 系統聯調

為驗證所開發系統的可行性，在完成小艇的無人化改造后，開展無人艇自主引導回收系統的聯調試驗。首先對柴油機轉速、翻斗開度及舵角角度的控制模型進行標定試驗。將無人艇啟動，開到開闊的水面，分別輸入10 組不同的模擬控制量，然后記錄各控制量下發動機轉速、翻斗開度以及噴泵出水口角度的值。最終，可獲得控制量與發動機轉速、翻斗開度以及舵角之間的關系曲線，如圖3 所示。

圖3 控制量關系曲線圖Fig. 3 Control quantity relationship curve

在此基礎上，在湖面上開展無人艇自主引導回收系統的聯調試驗，主要包括：上下位機通信、導航定位、遙控以及手/自動模式切換等性能測試。試驗測試結果表明，該無人艇自主引導回收系統運行正常，具有較好的響應性與穩定性。

3.2 無人艇回轉性能試驗

為了進一步測試無人艇的操控性能，在完成系統聯調試驗后，在湖面開展了無人艇回轉性能試驗。將無人艇遠程啟動，各系統正常初始化后，將無人艇開至開闊湖面。將無人艇控制模式切換為自動控制模式，將翻斗設定為全開狀態，設定不同的舵角值，分別給定不同的油門行程，測試無人艇在不同航速下的回轉軌跡。其中，在舵角為20°時不同航速下無人艇回轉軌跡如圖4 所示。

圖4 不同轉速下回轉軌跡圖Fig. 4 Rotation trajectory diagram at different speeds

可以看出，改造后的無人艇在低速、中速、高速下都具有相對較好的回轉特性。不同航速下無人艇回轉曲線偏差的最大值及均方根值如表2 所示。數據可知，改造后的無人艇在中、高速時回轉特性較好，相對誤差可控制在10%之內。

表2 不同航速下的回轉誤差分析表Tab. 2 Rotation error analysis table at different speeds

3.3 無人艇速度性能試驗

為了測試改造后無人艇的加速性能及速度穩定性，在湖面開展了無人艇速度性能試驗。將無人艇遠程啟動，各系統正常初始化后，將無人艇開至開闊湖面。將無人艇控制模式切換為自動控制模式，將翻斗設定為全開狀態，分別設定不同的目標航速，測試無人艇在不同目標航速下的加速響應性及速度穩定性，如圖5 所示。

圖5 不同目標航速下速度運行性能曲線Fig. 5 Speed operation performance curve at different target speeds

可以看出，改造后的無人艇在不同目標航速下都具有相對較好的響應特性與速度穩定性。不同航速下無人艇的加速性能及航速穩定性分析如表3 所示。可知，無人艇具有較好的響應性與啟動加速性能，在10 s之內均可達到目標航速。當目標航速為1.5 m/s 時，無人艇航速最大偏差相對較大，而在其余目標航速下無人艇航速最大偏差均可控制在10%以內。此外，不同目標航速下，無人艇平均航速偏差均可控制在5%以內。上述結果表明，改造后的無人艇具有較好的航速穩定性。

表3 不同目標航速下誤差分析表Tab. 3 Deviation analysis table at different target speeds

3.4 無人艇自主引導回收模擬試驗

為了驗證無人艇自主引導回收性能，在完成系統聯調及無人艇性能測試后，開展無人艇自主引導回收模擬試驗。

分別從不同的初始位置和航向角開展無人艇引導回收模擬試驗。無人艇引導回收軌跡線如圖6 所示，相應的航向角變化如圖7 所示，無人艇引導回收性能分析如表4 所示。

表4 無人艇湖面自主引導回收試驗記錄表Tab. 4 Records of the autonomous guidance and recovery of USV

圖6 無人艇自主引導回收系統湖面自主引導回收軌跡圖Fig. 6 The trajectory of autonomous guidance and recovery of USV

圖7 自主引導回收航向角變化曲線圖Fig. 7 Change of course angle for autonomous guidance and recovery of USV

從試驗結果可知，不同初始位置及航向角，無人艇在引導回收過程中能迅速地與尾滑道中心線對中，并在回收過程中能與尾滑道保持較好的對中性能。在回收過程中，無人艇與兩浮標中心點的最大橫向偏差為0.69 m，具有較好的控制精度。同時，能夠在3 min內順利地完成自主引導回收，具有較好的回收效率。

4 結 語

本文基于無人艇回收要求，開展基于尾滑道的無人艇自主引導回收系統整體方案的設計及各功能模塊的開發，最終完成了一套完整的無人艇自主引導回收系統的研制。通過湖面試驗，對系統整體性能進行驗證。試驗結果表明，系統具有較好的響應性、穩定性及無人艇操控性能，能較好地滿足無人艇自主返航及引導回收的要求。