漁業(yè)捕撈作業(yè)輔助遙控?zé)o人艇的研發(fā)

邵承譜++鄭銳聰++毛永明

摘 要：本文介紹所研發(fā)的漁業(yè)捕撈作業(yè)遙控?zé)o人艇，是集船舶設(shè)計、智能控制、數(shù)據(jù)采集處理、通訊導(dǎo)航等專業(yè)技術(shù)于一體的智能化工作艇，可以在海洋環(huán)境中執(zhí)行捕撈輔助作業(yè)，主要涉及到遙控?zé)o人艇的自主駕駛、路徑規(guī)劃與導(dǎo)航、動力定位，以及在一定海況下航行、作業(yè)等功能的實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞： 動力定位； 全回轉(zhuǎn)； 智能控制； 漁業(yè)安全

中圖分類號：U674.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Development of Unmanned Remote-Controlled Boats for Fishery Fishing Operations

SHAO Chengpu1， ZHENG Ruicong2， MAO Yongming2

（1. Zhejiang Ocean Fishery Office，Hangzhou 310021； 2.Guanzhou HG Marine Co.， Ltd.，Guangzhou 511430）

Abstract： This paper introduces an unmanned remote-controlled boat for fishery fishing operations. As an intelligent work boat， it integrates the technologies of ship design， intelligent control， data collection and processing， communication and navigation， and it can perform auxiliary fishing operations in the Marine environment. It mainly involves the autonomous driving， path planning and navigation， dynamic positioning， and the realization of the functions of navigation and operation under certain sea conditions.

Key words：Dynamic positioning； Full swing； Intelligent control； Fishery safety

1 前言

隨著當(dāng)今世界科技的智能化、無人化、系統(tǒng)化的發(fā)展，無人飛機(jī)（UAV）、陸地?zé)o人車（UGV）、無人機(jī)器人（AUV）和遙控?zé)o人艇（USV）等技術(shù)在軍事及民用領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。遙控?zé)o人艇是依靠遙控或者自主方式在水面航行的小型化、智能化功能艇。它較之傳統(tǒng)水面艇具有以下特點：功能模塊多樣化、運(yùn)行作業(yè)靈活化、精確遙控定位、能耗低、效益高。為了緊跟世界先進(jìn)技術(shù)發(fā)展潮流，適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步以及人民日常工作生活的需求，研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的遙控?zé)o人艇勢在必行。

2 遙控?zé)o人艇技術(shù)簡介

遙控?zé)o人艇是一種復(fù)雜的智能化無人操作系統(tǒng)，它是集船舶設(shè)計、信息采集處理、智能運(yùn)動控制等高尖技術(shù)為一體，涉及到的技術(shù)包含：自主航行系統(tǒng)、路線規(guī)劃與導(dǎo)航系統(tǒng)、信號干擾識別過濾處理等，也可以根據(jù)客戶的實際要求集成相應(yīng)的特殊功能模塊。當(dāng)然，遠(yuǎn)距離遙控駕駛是遙控?zé)o人艇最基本、最重要的模塊，并在此基礎(chǔ)上完成其他功能模塊的研發(fā)。

為了達(dá)到遙控?zé)o人艇經(jīng)濟(jì)實用性，首先要了解傳統(tǒng)人工艇存在的弊病，并從傳統(tǒng)人工艇人工成本高、安全性低、油耗大、轉(zhuǎn)舵緩慢、無法完成船舶定位等缺點入手，以此為技術(shù)突破口完成遙控?zé)o人艇，其基本功能模塊見圖1。

3 遙控?zé)o人艇關(guān)鍵技術(shù)

為了更好的推進(jìn)遙控?zé)o人艇項目的研發(fā)，同時保證各項功能的的質(zhì)量，遙控?zé)o人艇的研發(fā)采取功能模塊化分工設(shè)計，分別對每個關(guān)鍵技術(shù)難點進(jìn)行突破，最后對所有功能模塊進(jìn)行技術(shù)整合匯總。

3.1 船體流體力學(xué)

遙控?zé)o人艇的船體采用流體力學(xué)算法建模設(shè)計，船體材料采用高強(qiáng)度玻璃鋼。利用CFD程序（NICE法）進(jìn)行偏航狀態(tài)和回轉(zhuǎn)狀態(tài)的計算，并根據(jù)其計算結(jié)果進(jìn)行評估。由約束模型實驗獲得的線性導(dǎo)數(shù)的變化，得出計算結(jié)果與實驗結(jié)果之間的相互關(guān)系，進(jìn)而以CFD計算值作為參數(shù)對船體水動力系數(shù)進(jìn)行估算。通過對船體、全回轉(zhuǎn)環(huán)推和水之間相互影響力，設(shè)計出相對合理的船體，有效的減小了水對船體的阻力，提高航速。

3.2混合動力系統(tǒng)

遙控?zé)o人艇采用100kW靜音柴油發(fā)電機(jī)作為供電系統(tǒng)，同時配備了可充放電高容量鋰電池、逆變器、雙向DCDC充放電模塊等元器件新型混合動力系統(tǒng)。整個混合動力系統(tǒng)由高性能單片機(jī)完成相關(guān)的柴油機(jī)和鋰電池各實時參數(shù)采集處理并傳送到PLC控制系統(tǒng)。當(dāng)高速行駛或鋰電池電池不足時自動切換柴油發(fā)電機(jī)供電；而當(dāng)檢測出柴油機(jī)油量不足或靜音柴油發(fā)電機(jī)航行模式時自動切換到鋰電池供電。為了滿足客戶需求，額外集成了市電充電模塊。新型的混合動力系統(tǒng)在減少油耗、降低噪音以及平穩(wěn)運(yùn)行方面的作用尤為突出?；旌蟿恿ο到y(tǒng)見圖2。

3.3自動航行控制系統(tǒng)

自動航行控制系統(tǒng)是遙控?zé)o人艇推進(jìn)系統(tǒng)的重中之重，本艇推進(jìn)電機(jī)采用了廣州海工自主研發(fā)的永磁軸流同步推進(jìn)電機(jī)，其具備大推力、低噪音、高效率、運(yùn)行穩(wěn)定等特點。為了解決傳統(tǒng)人工艇轉(zhuǎn)彎慢、運(yùn)行不穩(wěn)定的問題，采用高精度步進(jìn)電機(jī)以及配套傳動系統(tǒng)實現(xiàn)360°全回轉(zhuǎn)舵功能。高分辨率舵角反饋器配合步進(jìn)電機(jī)可以實現(xiàn)高達(dá)0.01°的轉(zhuǎn)舵誤差，并能快速完成艇360°全回轉(zhuǎn)過程。

在實現(xiàn)自動航行時碰到了不少難點，如傳統(tǒng)的模擬量舵角反饋信號精度不高、艇內(nèi)部的電磁干擾嚴(yán)重，使得整塊單片機(jī)采集處理舵角信號、通信信號的過程中因為干擾出現(xiàn)誤差、舵角跳動導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)來回晃動的現(xiàn)象。為了攻克這一難點，我們在單片機(jī)采集信號段設(shè)計了信號前置放大器和濾波器對信號進(jìn)行過濾調(diào)理，同時做好舵角反饋器等靈敏設(shè)備的屏蔽措施，并在單片機(jī)程序算法以及PLC算法中嵌入了容錯魯棒算法，實現(xiàn)了穩(wěn)定轉(zhuǎn)舵的同時保證了舵角的精度。endprint

遙控?zé)o人艇使用的高速單片機(jī)，嵌入到機(jī)器設(shè)備、控制系統(tǒng)、儀器儀表、數(shù)據(jù)壓縮和加密等中央處理單元，具有功耗低、可靠性強(qiáng)、功能強(qiáng)大、高性價比等特點。數(shù)據(jù)信號采集模塊從全球定位系統(tǒng)GPS、數(shù)據(jù)羅盤獲取當(dāng)前艇航向、左右前后傾角等實時信息，同時接收遙控面板給定的轉(zhuǎn)速、角位置信息。信號控制系統(tǒng)由信號放大電路、控制電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、接口電路、嵌入式主板組成，將艇實時運(yùn)動信息發(fā)送給PLC以便進(jìn)行艇自動控制，并將數(shù)據(jù)實時壓縮后發(fā)送給遙控人員。自動控制系統(tǒng)見圖3。

3.4 定位控制系統(tǒng)

運(yùn)動控制子系統(tǒng)以三菱FN系列PLC為核心，經(jīng)過優(yōu)化可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)舵及推進(jìn)螺旋槳進(jìn)行精度控制。嵌入式單片機(jī)傳過來的遙控指令，并結(jié)合當(dāng)前傳感器進(jìn)行參數(shù)PID控制運(yùn)算，實現(xiàn)360°全回轉(zhuǎn)控制以及航速調(diào)整的功能。它包括：航向給定環(huán)節(jié)、航向檢測環(huán)節(jié)、給定航向與實際航向比較環(huán)節(jié)、航向偏差與舵角反饋比較環(huán)節(jié)。本艇內(nèi)置高精度全球定位系統(tǒng)GPS以及高靈敏度磁羅經(jīng)，通過自糾正自動導(dǎo)航算法完全可以實現(xiàn)航向保持、航向改變、航跡保存控制、自動返回控制等功能。自動舵是根據(jù)磁羅經(jīng)的航向信號和制定的航向?qū)Ρ葋砜刂撇僮飨到y(tǒng)，自動使船舶保持在制定的航向上。

定位系統(tǒng)是為了解決傳統(tǒng)人工艇受風(fēng)、浪影響而沒法穩(wěn)定在一定海域范圍內(nèi)作業(yè)問題而設(shè)計的。我們可以根據(jù)不同的需求嵌入風(fēng)、流檢測傳感器等功能模塊建立自適應(yīng)數(shù)學(xué)模型?？梢愿鶕?jù)測量到的外部連續(xù)信息（如船舷向、轉(zhuǎn)舵角、航速等）不斷實時識別模型參數(shù)，進(jìn)行實時有效控制盡可能保持最優(yōu)狀態(tài)。通過采集高精度GPS及相應(yīng)的風(fēng)、浪傳感器進(jìn)行數(shù)學(xué)模型處理，可以滿足艇穩(wěn)定在5-10米范圍內(nèi)。因為360°全回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)舵功能的存在，艇可以在位置偏離過程中經(jīng)過數(shù)據(jù)優(yōu)化處理，以最短路徑前進(jìn)或退回到指定范圍內(nèi)。定位控制系統(tǒng)見圖4。

3.5運(yùn)動仿真

本艇航向控制進(jìn)行了大數(shù)據(jù)量的整合研究，給出了集傳統(tǒng)PID控制和基本模糊控制優(yōu)點于一身的參數(shù)自整定的模糊PD控制器的設(shè)計。艇運(yùn)動特性隨著航速、裝載等因素變化而變化，干擾特性隨著風(fēng)、流、浪等海況變化而不同。常規(guī)艇控制系統(tǒng)不能自動適應(yīng)上述因素的變化，駕駛員難以隨著航行變化對PID參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，所以人工駕駛小艇不可能具備良好的操作性能。為了使得研發(fā)工作更加順利實施，出于安全性能的考慮，首先建立了該艇運(yùn)動的仿真模型，再利用該仿真模型模擬無人艇在各種海況、各種速度下進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動和Z型運(yùn)動，并著重測試了GPS動力定位系統(tǒng)以及最短路徑識別算法。我們在沿海地域還多次進(jìn)行了艇體的升沉、橫傾角、縱傾角、惡劣風(fēng)浪天氣試驗，各項性能均符合設(shè)計要求。運(yùn)動仿真圖見圖5。

4 遙控?zé)o人艇在燈光圍網(wǎng)捕魚作業(yè)上的應(yīng)用

為了驗證遙控?zé)o人艇的實用性，我們將其中一艘試驗艇提供給漁民試用，經(jīng)過多次出海試驗，本艇與傳統(tǒng)人工誘魚作業(yè)工作艇相比具有如下優(yōu)點：

（1）遙控?zé)o人艇可以設(shè)置自主航行及回收，采用全電力360°全回轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)，操作簡單、運(yùn)行和轉(zhuǎn)舵穩(wěn)定，可以實現(xiàn)1～3公里的遙控范圍；

（2）遙控?zé)o人艇集成了各種技術(shù)GPS定位，能更好的完成艇的定位控制，在復(fù)雜的海況天氣下照樣能完成下海放燈誘魚作業(yè)，增加了作業(yè)效益；

（3）能夠取代人工艇進(jìn)行下海放燈誘魚作業(yè)，提高了安全生產(chǎn)，節(jié)省了人工費(fèi)用，漁民可以不用駕艇下海，漁民人身安全得到保障；

（4）目前的遙控?zé)o人艇只適用于漁民燈光誘魚，可以在此平臺基礎(chǔ)上，開發(fā)出探魚、輔助作業(yè)、救助、運(yùn)輸?shù)扔猛荆龠M(jìn)漁業(yè)裝備的自動化和智能化，提高作業(yè)的技術(shù)含量。

5 結(jié)束語

漁業(yè)捕撈作業(yè)輔助用遙控?zé)o人艇，融合了多種先進(jìn)技術(shù)，是一款適合漁業(yè)生產(chǎn)的實用裝備，具有成本低、安全性高、經(jīng)濟(jì)效益好的特點，符合了漁業(yè)安全生產(chǎn)和漁業(yè)高技術(shù)裝備發(fā)展的趨勢。

為保證遙控?zé)o人艇研發(fā)成功，廣州海工船舶設(shè)備有限公司專門組織研發(fā)團(tuán)隊進(jìn)行精心試驗，在浙江臺州、寧波和廣東陽江等地開展了試驗，并隨漁船出海試用。遙控?zé)o人艇經(jīng)試驗試用后，發(fā)現(xiàn)問題及時進(jìn)行研究分析，采取措施改進(jìn)，取得滿意效果，各項指標(biāo)符合設(shè)計要求。

參考文獻(xiàn)

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