基于綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無人船自主航行能力評(píng)價(jià)

徐 力，陳天宇，許凱瑋，胡 瓊

(中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082)

0 引言

無人船在海上自主航行時(shí)，相比水池與湖泊，更加復(fù)雜的海洋環(huán)境對(duì)無人船的自主航行控制技術(shù)提出了更高的要求，帶來了諸如態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)易受干擾、通信距離遠(yuǎn)、船體運(yùn)動(dòng)受風(fēng)、浪、流影響易偏離預(yù)定航道等挑戰(zhàn)。因此，開展無人船自主航行評(píng)價(jià)技術(shù)研究，對(duì)無人船自主航行控制系統(tǒng)的測(cè)試驗(yàn)證、綜合評(píng)估及后續(xù)提升與改進(jìn)具有現(xiàn)實(shí)意義。

本文在前人研究基礎(chǔ)上[1–3]，提出一種無人船自主航行綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)無人船自主航行時(shí)各關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測(cè)，搜集到無人船自主航行狀態(tài)動(dòng)態(tài)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，包括航行速度、航向角、首向角、經(jīng)緯度坐標(biāo)等。通過與測(cè)試方發(fā)布的任務(wù)流程以及數(shù)字化實(shí)際海洋環(huán)境的結(jié)合，構(gòu)建數(shù)字化的無人船自主航行場(chǎng)景，通過數(shù)學(xué)方法對(duì)該場(chǎng)景下的無人船自主航行任務(wù)完成情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并得到量化結(jié)果[4–5]。

1 無人船自主航行綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要用途是監(jiān)測(cè)無人船在航行過程中產(chǎn)生的關(guān)鍵性能參數(shù)，包括航行環(huán)境參數(shù)（風(fēng)速、風(fēng)向）和航行性能參數(shù)（航速、航向、軸轉(zhuǎn)速、軸扭矩、軸功率、縱橫搖、船首和船尾加速度、舵角等），為無人船關(guān)鍵智能系統(tǒng)的陸上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)及海上試驗(yàn)提供支撐，為無人船自主航行效能的評(píng)估打下基礎(chǔ)。

無人船自主航行綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為船載子系統(tǒng)、船岸通信子系統(tǒng)以及岸基子系統(tǒng)3 部分，如圖1所示。

圖1 無人船綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of a comprehensive monitoring system for the unmanned surface vehicle

1.1 船載子系統(tǒng)

船載子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)船上數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、儲(chǔ)存、處理和管理，實(shí)現(xiàn)無人船實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果通過通信子系統(tǒng)發(fā)送至岸基子系統(tǒng)。主要包括信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)（船首/船中/船尾）、綜合監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、船端工控機(jī)和各類測(cè)試傳感器。

信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)主要由FPGA 機(jī)箱與信號(hào)模塊組成，負(fù)責(zé)將傳感器采集的RS232 信號(hào)、RS485 信號(hào)、電壓信號(hào)和以太網(wǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化或保持為以太網(wǎng)信號(hào)。輸入端為上述各種信號(hào)插口，輸出端均為以太網(wǎng)插口。

綜合監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主要包括存儲(chǔ)硬盤、以太網(wǎng)交換機(jī)、適配電源、電源管理器，負(fù)責(zé)對(duì)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理、顯示、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理，將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到船載工控機(jī)，以及接收船載工控機(jī)及測(cè)試軟件的配置、啟動(dòng)停止等控制命令。

船載工控機(jī)主要用于測(cè)試與評(píng)估軟件的搭載，以及對(duì)包括通信模塊在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

1.2 船岸通信子系統(tǒng)

船岸通信子系統(tǒng)主要提供無人船與岸基之間的無線通信鏈路能力，采用無線電臺(tái)，負(fù)責(zé)水上平臺(tái)與岸上平臺(tái)間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，包括船端和岸基兩部分，如圖2 所示。主要功能包括：船上無線電臺(tái)通過通信接口接收船載綜合監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)獲取的無人船自主航行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過無線方式發(fā)送至岸基，岸基接收到平臺(tái)端發(fā)送來的數(shù)據(jù)后，通過通信接口將數(shù)據(jù)傳輸至岸基工控機(jī)。船端和岸基無線電臺(tái)設(shè)備完全相同，均具備接收和發(fā)送功能。

圖2 艇岸通信模塊架構(gòu)圖Fig.2 Architecture diagram of boat-to-shore communication module

1.3 岸基子系統(tǒng)

岸基子系統(tǒng)包括岸基服務(wù)器和運(yùn)行于服務(wù)器的上位機(jī)軟件，主要用于實(shí)時(shí)顯示無人船航行狀態(tài)數(shù)據(jù)、航后船載終端積累的大量采集數(shù)據(jù)等，在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控及無人船自主航行能力評(píng)估等應(yīng)用。同時(shí)，也可通過岸船一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)船端更加靈活的擴(kuò)展能力和功能升級(jí)。岸基子系統(tǒng)主要功能包括：

1）配置和傳感器相關(guān)的采集模塊的參數(shù)，如設(shè)定傳感器零位、采樣頻率等；

2）對(duì)整個(gè)無人船綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制；

3）對(duì)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，包括頻譜、特征量等信息；

4）對(duì)數(shù)據(jù)有二次處理功能，包括積分、數(shù)值統(tǒng)計(jì)等；

5）對(duì)由通信系統(tǒng)發(fā)來的船端采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與回放。

2 無人船自主航行能力評(píng)價(jià)

基于無人船綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將采集到的數(shù)據(jù)通過通信模塊以u(píng)dp 報(bào)文的形式傳輸至岸端工控機(jī)，再將報(bào)文數(shù)據(jù)以.xls 文件的形式進(jìn)行儲(chǔ)存。

結(jié)合自主避碰、自主循跡等自主航行任務(wù)下的具體場(chǎng)景，建立指標(biāo)體系，針對(duì)指標(biāo)進(jìn)行解耦，建立試驗(yàn)數(shù)據(jù)與指標(biāo)之間的數(shù)學(xué)模型。通過讀取存儲(chǔ)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行量化計(jì)算，從而得出量化評(píng)估結(jié)果。

2.1 自主航行評(píng)價(jià)內(nèi)容

針對(duì)無人船自主航行的任務(wù)科目進(jìn)行劃分，重點(diǎn)對(duì)自主循跡與自主避碰這2 項(xiàng)具有代表性的任務(wù)科目進(jìn)行測(cè)試與評(píng)價(jià)的技術(shù)研究。

2.1.1 自主循跡測(cè)試評(píng)價(jià)方法

自主循跡的測(cè)試指標(biāo)分為效能指標(biāo)、功能指標(biāo)與性能指標(biāo)。效能指標(biāo)主要指循跡總時(shí)間T；功能指標(biāo)主要是指包括起始點(diǎn)在內(nèi)的必過點(diǎn)穿行情況；性能指標(biāo)包括：航跡偏距，航向角偏差。

將航行數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，采樣頻率為1 Hz。該組數(shù)據(jù)包括時(shí)間、無人船經(jīng)緯度坐標(biāo)、無人船航向、舵角信號(hào)。

將無人船經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為直角坐標(biāo)，得到位置數(shù)據(jù)（xn,yn），輸入任務(wù)場(chǎng)景中的必過點(diǎn)數(shù)據(jù)（X,Y）。通過每組2 個(gè)必過點(diǎn)坐標(biāo)，得到預(yù)計(jì)航線在此直角坐標(biāo)系上的表達(dá)式：AX+BY+C=0，式中A，B，C為固定實(shí)數(shù)。

得到如下公式：

將所有航跡點(diǎn)數(shù)據(jù)代入對(duì)應(yīng)的航跡中計(jì)算，得到航行偏差即航跡截距數(shù)組[Dn]，求該組數(shù)據(jù)的平均值與均方差值MSE (Dn)。

計(jì)算每相鄰航跡點(diǎn)形成的直線，得到Axn+Byn+C=0，式中An，Bn，Cn為固定實(shí)數(shù)。計(jì)算該直線的航向，即瞬時(shí)航向與預(yù)定航向之間的夾角，如下式：

如存在，且時(shí)間序列上不存在紊亂與重復(fù)，則認(rèn)為必過點(diǎn)穿越成功。

2.1.2 自主避碰測(cè)試評(píng)價(jià)方法

自主避碰的測(cè)試指標(biāo)分為效能指標(biāo)、性能指標(biāo)，效能指標(biāo)主要包括總耗時(shí)T；性能指標(biāo)包括時(shí)效性，避碰有效性。

在避碰規(guī)則中，當(dāng)兩船航向相交時(shí)，海事規(guī)則中涉及“碰撞危險(xiǎn)”、“緊迫局面”與“緊迫危險(xiǎn)”這3 種安全距離的概念。“碰撞危險(xiǎn)”即為兩船接近至存在碰撞危險(xiǎn)的距離[6]。“緊迫局面”則是指兩船接近至僅憑讓路船的避讓行動(dòng)無法保證不發(fā)生碰撞的距離。“緊迫危險(xiǎn)”是指碰撞危險(xiǎn)即將發(fā)生的距離。3 種距離的碰撞危險(xiǎn)程度依次增加，但海事規(guī)則中并未明確規(guī)定這些距離的具體取值[7]。因此在進(jìn)行指標(biāo)評(píng)價(jià)之前需要將這些距離作約定。且針對(duì)這些距離對(duì)于操作的指導(dǎo)做出約定。對(duì)于避碰系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法，可以將上述距離簡化為2 個(gè)，一個(gè)是避碰機(jī)動(dòng)期間不應(yīng)當(dāng)?shù)竭_(dá)的距離可以叫做“避碰危險(xiǎn)距離”；另一個(gè)避碰機(jī)動(dòng)應(yīng)當(dāng)開始時(shí)的距離可以叫做“避碰距離”[8]。

針對(duì)最常見的互見情形下的兩船對(duì)遇問題，危險(xiǎn)避碰距離可記作D1，表達(dá)如下[9]：

避碰距離可以記作D2，表達(dá)式如下：

式中：L為船舶長度，K為兩船速度之比，?δ 為兩船航向交角，Da為安全距離一般取12 n mile。

1）避碰有效性評(píng)價(jià)

將無人船經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為大地直角坐標(biāo)，得到位置數(shù)據(jù)（xn,yn），輸入任務(wù)場(chǎng)景中的障礙物坐標(biāo)(x,y)。計(jì)算危險(xiǎn)避碰距離D1，實(shí)時(shí)計(jì)算（每秒刷新）每組位置數(shù)據(jù)（xn,yn）與各障礙物之間的距離：

2）避碰時(shí)效性評(píng)價(jià)

了解被測(cè)對(duì)象的內(nèi)在邏輯，了解其避碰的判斷閾值。當(dāng)觀測(cè)到該值作為信號(hào)輸入到避碰系統(tǒng)時(shí)開始計(jì)時(shí)t1，同時(shí)開始監(jiān)測(cè)智能船關(guān)鍵部件（機(jī)槳等）信號(hào)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到信號(hào)開始按照避碰操作變換時(shí)記錄時(shí)間t2。計(jì)算時(shí)效性指標(biāo) ?t=t2-t1。

3）避碰經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

當(dāng)障礙物出現(xiàn)，且智能船關(guān)鍵部件（機(jī)槳等）信號(hào)發(fā)生顯著變化，即舵角信號(hào)出現(xiàn)大幅持續(xù)的脈沖信號(hào)，以及主機(jī)轉(zhuǎn)速或功率有持續(xù)的明顯下降時(shí)。記錄避碰操作開始時(shí)刻，記作T1，并計(jì)算此時(shí)笛卡爾坐標(biāo)系上的航跡表達(dá)式：Ax+By+C=0，式中A，B，C為固定實(shí)數(shù)。

當(dāng)目標(biāo)船駛離避碰距離D2，且智能船行駛回初始航跡Ax+By+C=0，即測(cè)試船完成復(fù)航時(shí)。記錄避碰結(jié)束時(shí)刻T2。

于是，避碰過程總耗時(shí) ?T=T2-T1。

4）操舵頻次評(píng)價(jià)

對(duì)于任務(wù)期間的指令舵角狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)記錄，得到航行期間舵角的變化次數(shù)以及變化曲線，如圖3 所示。

2.2 自主循跡任務(wù)評(píng)價(jià)實(shí)例

如圖4 所示，在一片開闊水域內(nèi)，對(duì)自主航行系統(tǒng)輸入包括起始點(diǎn)在內(nèi)的6 個(gè)必過點(diǎn)。根據(jù)試驗(yàn)船船長25 m，給定必過點(diǎn)穿越半徑為50 m。轉(zhuǎn)化經(jīng)緯度坐標(biāo)，將包括時(shí)間、經(jīng)緯度坐標(biāo)、航跡角、航向角在內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及任務(wù)場(chǎng)景參數(shù)代入評(píng)價(jià)算法程序，結(jié)合自主循跡任務(wù)測(cè)評(píng)方法得到自主航行評(píng)價(jià)結(jié)果。

圖4 無人船自主循跡試驗(yàn)場(chǎng)景示意圖Fig.4 Schematic diagram of the autonomous tracking test scene of unmanned surface vehicle

將每2 個(gè)必過點(diǎn)之間的航跡視作一段航跡線，共得到5 段航跡線，通過與理想航跡（兩必過點(diǎn)之間的直線）對(duì)比，得到航跡截距與航向偏差指標(biāo)，如表1所示。

表1 自主循跡任務(wù)評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果Tab.1 Autonomous tracking task evaluation calculation results

由循跡全過程中數(shù)據(jù)時(shí)間序列的總長度可知，此次自主循跡完成的總時(shí)長T為64 min。

針對(duì)每一個(gè)必過點(diǎn)，均有相距小于等于穿越半徑50 m，因此認(rèn)為循跡成功，但是距離誤差（偏距）與航向角的誤差較大，各航次平均偏距差值為58.7 m，各航次航向平均誤差為83.3°。考慮到進(jìn)行循跡測(cè)試時(shí)測(cè)試場(chǎng)內(nèi)存在非合作障礙物，被試艇既要進(jìn)行循跡試驗(yàn)又要對(duì)這些非合作障礙物進(jìn)行避障操作，因此此次測(cè)試結(jié)果無法代表該操控系統(tǒng)在循跡功能上的真實(shí)水平，但是由必過點(diǎn)均穿越成功這一結(jié)果可以得知該操作系統(tǒng)能有效進(jìn)行循跡操作。

3 結(jié)語

本文結(jié)合無人船自主航行實(shí)船測(cè)試需求，結(jié)合多維信息統(tǒng)一采集、船-岸-海協(xié)同測(cè)量與模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)提出并設(shè)計(jì)一種無人船自主航行綜合監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)之上，從功能、效能出發(fā)，構(gòu)建無人船在自主循跡和自主避碰作業(yè)場(chǎng)景下的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，開展自主航行試驗(yàn)數(shù)據(jù)與評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建工作，完成了對(duì)無人船自主航行性能的量化評(píng)價(jià)技術(shù)研究，為無人船自主航行的測(cè)評(píng)與后續(xù)改進(jìn)提供依據(jù)。