一種基于自主航行的無人水面測量船的研制

馬詩聰 ，劉吉桃

(1.中國地質(zhì)大學(xué) 機(jī)械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074;2.武漢勞雷綠灣船舶科技有限公司，湖北 武漢 430073)

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一種基于自主航行的無人水面測量船的研制

馬詩聰1，劉吉桃2

(1.中國地質(zhì)大學(xué) 機(jī)械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074;2.武漢勞雷綠灣船舶科技有限公司，湖北 武漢 430073)

研制了一種用于河流、湖泊、淺水、近灘自主航行的無人水面測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)可搭載多種傳感器，包括聲學(xué)多普勒流速剖面儀ADCP、單波束測深儀、聲納等。其組成包括岸基(母船)控制單元和無人水面測量單元，其中岸基控制單元利用無線網(wǎng)橋通信遙控測量船自主航行或走航測量并實(shí)時(shí)接收測量數(shù)據(jù)，無人水面測量單元搭載差分GPS、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、單波束測深儀、攝像頭和數(shù)據(jù)交換工控系統(tǒng)。目前已經(jīng)過多次湖試，驗(yàn)證了無人水面測量船用于水下測量、水質(zhì)采樣的可行性和實(shí)用性。

無人船；水面測量船；自主航行；差分GPS；慣性導(dǎo)航單元

0　引言

無人測量船是一種多用途的測量平臺，可搭載多種測量傳感器用于相關(guān)的測量，并且運(yùn)輸簡單，攜帶方便。無人測量的方式在內(nèi)河及海洋將成為測繪行業(yè)的重要技術(shù)手段，實(shí)時(shí)、無人、自動(dòng)測量、自主定位、自主導(dǎo)航是現(xiàn)代內(nèi)河及海洋測量的一種現(xiàn)代化趨勢。近幾年，我國在無人船領(lǐng)域方面獲得了重大的發(fā)展[1]。例如珠海云洲智能科技有限公司研發(fā)了一款型號為ME70中型自動(dòng)測量船包括單波束測深儀系統(tǒng)、 側(cè)掃聲納系統(tǒng)、雙頻GPS及姿態(tài)儀系統(tǒng)，同時(shí)還有用于船載數(shù)據(jù)采集備份的平板工控機(jī)和用于測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)傳電臺，以及搭載有地貌測繪軟件的地面測量基站，但其自主測量采用的電子羅盤容易受到地磁干擾而丟失測量數(shù)據(jù)；通信采用電臺通信，受距離限制，傳輸帶寬低。國家海洋局研發(fā)一款雙體測量船用于水深測量。國外麻省理工研發(fā)了一款名為SCOUT用于水聲通訊中繼任務(wù)[2]。波爾圖大學(xué)研發(fā)了一款名為ZARCO用于水下調(diào)查，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)[3]。

本文研制一款具有自動(dòng)駕駛功能的測量船，其智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總體目標(biāo)為：操作員通過基站設(shè)定航行任務(wù)，相關(guān)執(zhí)行器根據(jù)航線信息和差分GPS或北斗位置，慣導(dǎo)的姿態(tài)、航向、方位等位置信息，實(shí)時(shí)計(jì)算出航線跟蹤所需要的航向角和航速，并解算出所需的舵角，沿著事先設(shè)定的路徑航行。另一方面，實(shí)時(shí)計(jì)算出航速，通過加速度傳感器實(shí)現(xiàn)航速的控制，并實(shí)時(shí)對電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電池電量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；把攝像機(jī)圖像信息及相關(guān)的測量儀器通過無線通信實(shí)時(shí)傳輸給基站，供監(jiān)控人員進(jìn)行作業(yè)監(jiān)控和航線更改[4-5]。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

研制的自主航行的無人水面測量船主要由岸基控制系統(tǒng)和船載動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)成，這兩部分采用無線網(wǎng)橋進(jìn)行通信與控制。系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1　無人水面測量船系統(tǒng)框架圖

無人水面測量艇系統(tǒng)除了艇身結(jié)構(gòu)與動(dòng)力系統(tǒng)外，還配有定位慣導(dǎo)傳感器、光學(xué)攝像頭、多波束等測量設(shè)備、采集導(dǎo)航與控制通訊系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)自主航行、調(diào)查采集與記錄功能，并具備與岸機(jī)通訊實(shí)時(shí)回傳數(shù)據(jù)、修改航跡與遙控航行等功能。岸機(jī)系統(tǒng)主要為1臺配備無線收發(fā)模塊的工控機(jī)算機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)無人艇作業(yè)前的規(guī)劃設(shè)計(jì)、無人艇作業(yè)期間的實(shí)時(shí)狀態(tài)、調(diào)查數(shù)據(jù)監(jiān)視以及無人艇的航行遙控。

2　無人水面測量艇船體構(gòu)成

無人水面測量艇上件采用不銹鋼材質(zhì)滾床而成，雙浮體采用高分子聚尿合成，具有抗壓、耐磨、浮力大等特點(diǎn)。雙浮體支架采用鋁合金安裝支架，可拆卸，可折疊，方便安裝運(yùn)輸。動(dòng)力采用推進(jìn)器為2臺DC24 V直流無刷電機(jī)，功率分別為500 W，共1 000 W。驅(qū)動(dòng)器為配套直流無刷控制器，輸出信號為0～5 V電壓信號，2套驅(qū)動(dòng)器分別控制2套直流無刷電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)差動(dòng)轉(zhuǎn)向。當(dāng)左驅(qū)動(dòng)器的電壓信號大于右驅(qū)動(dòng)器的電壓時(shí)，左直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速快于右直流無刷電機(jī)，此時(shí)船體向右轉(zhuǎn)向；反之，船體向左轉(zhuǎn)向。當(dāng)左直流無刷電機(jī)與右直流無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號一致時(shí)，船體向正前方向推進(jìn)。船體的主要性能參數(shù)見表1，船體的主要構(gòu)成如圖2所示。

表1　無人水面測量船的主要參數(shù)

圖2　無人水面測量船船體構(gòu)成

主控艙包含中央控制器、工控主機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、磷酸鐵鋰電池、無線網(wǎng)橋傳輸組件和慣性導(dǎo)航單元主機(jī)。慣性導(dǎo)航單元以MEMS慣性測姿技術(shù)為基礎(chǔ)，融入高精度衛(wèi)星RTK定位及定向技術(shù)，搭載全新一代MEMS慣性/高精度衛(wèi)星組合導(dǎo)航算法引擎，可有效解決動(dòng)態(tài)車輛在復(fù)雜環(huán)境下的高精度位置和航姿測量難題，大大提高了衛(wèi)星導(dǎo)航抗多路徑干擾的能力。同時(shí)，由于與里程計(jì)相結(jié)合，即使衛(wèi)星信號受到遮擋或一段時(shí)間內(nèi)沒有衛(wèi)星定位信號，也能保證其有較好的位置精度。其相關(guān)參數(shù)見表2。

表2　慣性導(dǎo)航單元主要參數(shù)

無線網(wǎng)橋通信采用美國UBNT全新原裝進(jìn)口Bullet M5 HP大功率600 mW,5.8 G 802.11a/n，內(nèi)存32 M，CPU Atheros 400 MHZ,POE網(wǎng)線供電，RJ45以太網(wǎng)接口，無線帶寬可達(dá)到100 M以上，可以完全滿足工控機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸以及高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭的實(shí)時(shí)傳輸。岸基控制系統(tǒng)將相關(guān)的遙控指令或者路徑規(guī)劃指令通過岸基無線網(wǎng)橋發(fā)射端發(fā)送到船端的無線網(wǎng)橋的接收端，無線網(wǎng)橋接收端將接收到的指令傳送到船端工控計(jì)算機(jī)。工控計(jì)算機(jī)將相關(guān)指令發(fā)送到相關(guān)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成船體的相關(guān)的自主航行與自主測量。

3　無人水面測量船地面站岸基控制系統(tǒng)

無人水面測量船岸地面站岸基控制系統(tǒng)主要包括地面站工控計(jì)算機(jī)、地面站控制軟件、地面站岸基無線網(wǎng)橋發(fā)射端、手持遙控器、鋰電池及逆變電源。

3.1地面站工控計(jì)算機(jī)

地面站工控計(jì)算機(jī)FieldGo M9X是一個(gè)加固性Intel Xeon的便攜式計(jì)算機(jī)多平臺便攜式工作站,集成了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)組件在一個(gè)緊湊的堅(jiān)固的鋁合金外殼。其多擴(kuò)展槽和多驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)提供工作站性能、可擴(kuò)展性和便攜功能。FieldGo M9X支持431.79 mm(17 in)TFT液晶屏,多處理器配置,作為PCIe和PCI擴(kuò)展槽和多個(gè)磁盤驅(qū)動(dòng)器托架。鋁合金底盤強(qiáng)化橡膠保險(xiǎn)杠是強(qiáng)大和堅(jiān)固的經(jīng)得起最苛刻的現(xiàn)場條件。支持Intel Xeon E5 2600 系列CPU、431.79 mm(17 in)1 280 mm×1 024 mm LCD、1×133.25 mm(5.25 in) 外部驅(qū)動(dòng)器托架、1×超薄光驅(qū)位、2×88.9 mm(3.5 in)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器架。該設(shè)備攜帶方便，適合戶外長時(shí)間工作與測量。

3.2地面站控制軟件

地面站控制軟件是通過Visual C++編寫而成，能夠在WIN7和WIN10系統(tǒng)下運(yùn)行。其主要結(jié)構(gòu)包括串口控制、采樣路徑設(shè)置、控制方式選擇、下載測量數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)、百度衛(wèi)星地圖加載、船的姿態(tài)顯示、航行速度顯示、船的動(dòng)力電池電量的實(shí)時(shí)監(jiān)控、主控艙溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控及采樣日志，并生成采樣報(bào)告。其中采樣路徑設(shè)置包括路徑規(guī)劃完成、清除路徑、發(fā)送任務(wù)、開始定位等功能，并能實(shí)時(shí)傳回由船端?？低晹z像機(jī)的圖像，方便操作測量與采樣。

軟件的調(diào)試窗口可以實(shí)時(shí)監(jiān)控慣性導(dǎo)航的相關(guān)參數(shù)的運(yùn)行情況，包括當(dāng)前船航向角、X角速度、俯仰角、Y角速度、橫滾角、Z角速度、東向速度、X加速度、北向速度、Y加速度、天向速度、Z加速度、航行速度、目標(biāo)航速、當(dāng)前經(jīng)度、當(dāng)前緯度、目標(biāo)距離、采樣標(biāo)志、GIS狀態(tài)、GPS收星狀態(tài)、慣導(dǎo)狀態(tài)、控制板溫度、電池電壓、左舵DAC、右舵DAC、左舵信號電壓、右舵信號電壓、目標(biāo)航向、航向偏差、目標(biāo)經(jīng)度、目標(biāo)緯度、PID設(shè)置和速度設(shè)置，可以把每次測量的相關(guān)參數(shù)保存，供事后分析使用，為測量工作帶來極大的便利性。無人測量船上加載有溫度傳感器和電壓傳感器，可以實(shí)時(shí)將主控艙的溫度和鋰電池電壓實(shí)時(shí)傳回岸端基站。

3.3地面站無線網(wǎng)橋

地面站無線網(wǎng)橋與船端無線網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)雙向通信，最大帶寬可以達(dá)到100 M以上。本系統(tǒng)設(shè)置有失控保護(hù)功能，當(dāng)船端無法將圖像信息和相關(guān)傳感器的數(shù)據(jù)傳回地面站或地面站規(guī)劃路徑無法發(fā)出自主導(dǎo)航路徑到船端時(shí)，說明無線網(wǎng)橋丟失信號，或者通信鏈路出現(xiàn)問題。此時(shí)如果在3 min之內(nèi)，船端或者地面站無響應(yīng)通信恢復(fù)正常，無人水面測量船將按最初的原始路徑自動(dòng)返航致最初的原始起點(diǎn),并可以自動(dòng)存儲所有測量數(shù)據(jù)于船端工控機(jī)內(nèi)，保證測量數(shù)據(jù)的安全。

3.4手持遙控器

手持遙控器通過2.4 GHZ無線遙控?zé)o人水面測量船。測量的相關(guān)人員可以通過地面站軟件實(shí)現(xiàn)手動(dòng)遙控和自主航行自由切換，滿足不同的測量環(huán)境和要求。鋰電池及逆變電源可以實(shí)時(shí)為地面站工控機(jī)提供不間斷交流電，保證在戶外長時(shí)間、不間斷測量。

4　結(jié)論

本文研制的基于自主航行的無人水面測量船采用雙浮體結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的抗風(fēng)浪能力，有效載荷能力大，是一種通用的復(fù)合平臺，能搭載各種不同的測量設(shè)備和傳感器。模塊化的艙室管理及穩(wěn)定可靠的工控計(jì)算機(jī)，能同時(shí)處理包括1 080 P的視頻圖像及測量儀器地形地貌的相關(guān)數(shù)據(jù)。接口采用通用的RS232接口，能適用于各種設(shè)備和傳感器的連接與通信。實(shí)驗(yàn)表明，無人水面測量船用于水質(zhì)采樣、水文監(jiān)測、水文勘察及港口視頻監(jiān)控，具有良好的效果及較好的應(yīng)用前景。目前，該無人水面測量船在武漢東湖及武漢嚴(yán)西湖進(jìn)行了一系列的應(yīng)用試驗(yàn)，真正投入商用還需要進(jìn)一步完善與測試，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

[1]金久才，張杰，馬毅，等.一種無人船水深測量系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)[J].海洋測繪,2013,3(2)：53-56.

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2016-03-23

馬詩聰(1995—)，男，本科，研究方向?yàn)闄C(jī)械與電子信息；劉吉桃(1986—)，男，工程師，研究方向?yàn)闊o人艇控制系統(tǒng)。

U674.82

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