半實(shí)物仿真多艘無(wú)人船編隊(duì)控制系統(tǒng)的研究與分析

本文設(shè)想并試驗(yàn)了一個(gè)實(shí)時(shí)設(shè)備電路的模擬系統(tǒng)，以模擬對(duì)多艘無(wú)人船舶的編隊(duì)控制過(guò)程。該控制器可以通過(guò)對(duì)電壓信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換模擬電機(jī)控制信號(hào)的傳輸和獲取，以及可以通過(guò)對(duì)串行接口模擬計(jì)量?jī)x表的傳輸和數(shù)據(jù)獲取。將無(wú)人駕駛的船舶控制器建立在PC104平臺(tái)上，并采用了基于VxWorks的實(shí)時(shí)控制軟件;又利用了工業(yè)計(jì)算器和VC++在6.0環(huán)境建立了無(wú)人值守的船舶仿真中心，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)人值守船舶仿真過(guò)程數(shù)據(jù)的圖形化顯示。最后，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)證明，該軟件能夠良好地模擬多艘無(wú)人駕駛飛行器的編組狀況，在驗(yàn)證編隊(duì)算法和測(cè)試無(wú)人船嵌入式控制軟件等方面，都具有重要的實(shí)用性。

目前，無(wú)人船編隊(duì)體系的大致發(fā)展階段為控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、控制器設(shè)計(jì)、控制算法實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段。在實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)問(wèn)題之后，就有必要返回控制器設(shè)計(jì)鏈接并進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。但是，由于無(wú)人駕駛的船舶編隊(duì)測(cè)試成本高昂，而且受各種原因影響，在研發(fā)初期，編隊(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)無(wú)法用實(shí)際編隊(duì)測(cè)試進(jìn)行分析和測(cè)試。所以，為了對(duì)在研制的早期階段系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)和校準(zhǔn)，就有必要設(shè)計(jì)更便于在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的設(shè)備在環(huán)仿真控制系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)備在環(huán)境模擬的物理實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，在MATLAB中對(duì)編隊(duì)算法進(jìn)行模擬后，可以忽略模型間數(shù)據(jù)的延遲和精度損失，這種問(wèn)題很可能會(huì)使得實(shí)際系統(tǒng)中的編隊(duì)計(jì)算存在差異。而環(huán)路模擬硬件則能夠取代這種問(wèn)題，從而更加高效地進(jìn)行計(jì)算實(shí)驗(yàn)。所以，無(wú)人船編隊(duì)回路模擬裝置對(duì)于驗(yàn)證控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和編隊(duì)計(jì)算有關(guān)鍵意義。

一、無(wú)人船系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)操作

目標(biāo)要求，無(wú)人駕駛技術(shù)船舶與水質(zhì)檢測(cè)等方面的技術(shù)聯(lián)合可以大大提高水質(zhì)檢測(cè)工作的有效性。目前，由于中國(guó)對(duì)無(wú)人駕駛船編隊(duì)技術(shù)的研制投資較少，面臨著編隊(duì)制導(dǎo)算法難以實(shí)現(xiàn)、定位精度降低、不利于編隊(duì)穩(wěn)定性等問(wèn)題[1]。在此基礎(chǔ)上，可以設(shè)想一個(gè)無(wú)人編隊(duì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)符合下列條件。為了滿(mǎn)足低噸位、裝卸方便的要求，必須設(shè)計(jì)小型、輕型無(wú)人駕駛船舶。實(shí)時(shí)執(zhí)行任務(wù)。在飛行與編隊(duì)的控制階段，無(wú)人值守艦船須同時(shí)負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)讀取、位置統(tǒng)計(jì)、位置管理、命令分析等任務(wù)[2]。對(duì)它們系統(tǒng)的即時(shí)性能也有高度的要求，還必須負(fù)責(zé)任務(wù)之間的統(tǒng)一調(diào)度工作，以中斷因任務(wù)沖突而產(chǎn)生的任務(wù)。該系統(tǒng)利用無(wú)線模塊與地上站點(diǎn)連接，利用地上站點(diǎn)顯示航行數(shù)據(jù)并提供無(wú)人船編隊(duì)指示，從而完成航跡設(shè)計(jì)功能。

（二）控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成

該控制系統(tǒng)主要由無(wú)人駕駛航空器編隊(duì)、互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)和地上站點(diǎn)三個(gè)部分構(gòu)成，以地上站點(diǎn)為主要的監(jiān)控單位。數(shù)艘無(wú)人值守船舶可以下載收集的數(shù)據(jù)，并在船站收到指令。余艘無(wú)人值守船舶之間的消息則經(jīng)由無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳遞。控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.無(wú)人駕駛的船舶主要由船體、船舶控制系統(tǒng)和供電構(gòu)成。船舶還設(shè)有控制系統(tǒng)和供電。而無(wú)人船編隊(duì)平臺(tái)的船舶控制系統(tǒng)則包括定位、位置檢測(cè)、電源和無(wú)線通信等模塊，能即時(shí)接收無(wú)人駕駛的定位、航向、轉(zhuǎn)速和功率。船舶控制系統(tǒng)還能夠?qū)?shù)據(jù)到地上站點(diǎn)或在地面站顯示，接收并分析地上站點(diǎn)所發(fā)出的數(shù)據(jù)和命令，從而有效監(jiān)控?zé)o人值守艦船的運(yùn)動(dòng)[3]。

2.網(wǎng)絡(luò)通信是連接多艘無(wú)人駕駛船舶和地面站的關(guān)鍵。

3.一些地上站點(diǎn)甚至是沿海站，主要通過(guò)聯(lián)系無(wú)人值守艦船實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、全通信和數(shù)據(jù)傳輸。

（三）關(guān)鍵技術(shù)的選擇

在對(duì)多艘無(wú)人船編隊(duì)的監(jiān)控研究中，需要先明確其結(jié)構(gòu)，以及無(wú)人船之間的監(jiān)控與通信模型，充分發(fā)揮其優(yōu)越性[4]。該結(jié)構(gòu)確定了無(wú)人值守艦艇實(shí)施任務(wù)的邏輯關(guān)系，確定了任務(wù)分配與問(wèn)題解決的方法，還與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的軟件與硬件選擇相關(guān)。集中性通常意味著每個(gè)無(wú)人值守艦艇都會(huì)聽(tīng)到特定核機(jī)器人的指令，以及由核機(jī)器人負(fù)責(zé)接受到的信號(hào)。核機(jī)器人主要采集編隊(duì)中每個(gè)無(wú)人值守艦船的數(shù)據(jù)，利用高度算法得出各個(gè)無(wú)人值守艦船的預(yù)期方位和運(yùn)動(dòng)，以獲得編隊(duì)效果[5]。目前，它是一個(gè)比較成熟而容易實(shí)施的編隊(duì)展示方式，主要適用于無(wú)人駕駛船舶的編隊(duì)展示活動(dòng)。在分布式系統(tǒng)中，每艘無(wú)人駕駛船都擁有相同的能力，可相互交換信息，并擁有決策與評(píng)價(jià)的能力。而分散結(jié)構(gòu)的信息交換范圍較小，對(duì)每個(gè)人來(lái)說(shuō)都是一個(gè)單獨(dú)的信息系統(tǒng)，因此一只無(wú)人值守艦艇的損壞并不能影響整個(gè)運(yùn)行。顧名思義，雜交技術(shù)就是對(duì)上述二個(gè)結(jié)構(gòu)的綜合，以及對(duì)這二個(gè)結(jié)構(gòu)結(jié)合的共同特征。他將整個(gè)系統(tǒng)分為若干小組，再匯集為一個(gè)小組。

（四）總體技術(shù)路線

通過(guò)對(duì)無(wú)人裝配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)的選擇，確定了圖2所述的一般技術(shù)路線，并提供了主要系統(tǒng)算法組成部分。

二、無(wú)人船硬件設(shè)計(jì)

（一）仿真模擬

仿真應(yīng)滿(mǎn)足執(zhí)行船體狀態(tài)、串行端口數(shù)據(jù)傳遞和模擬電壓讀數(shù)等三種功能。為此，設(shè)計(jì)的仿真系統(tǒng)由一套裝有三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RS-232串行端口和PCI擴(kuò)展A/D和D/D擴(kuò)展板的工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[6]。這里選用的9112擴(kuò)展板，共包含16個(gè)A/D通道，能夠滿(mǎn)足用戶(hù)的需要?？刂乒?jié)點(diǎn)根據(jù)需要進(jìn)行電子傳感器數(shù)據(jù)接受、無(wú)線通信數(shù)據(jù)接受與傳送、電機(jī)電壓傳輸?shù)裙δ?。其中，?shù)據(jù)的接受與傳送均以串行端口方式執(zhí)行，電壓則以模擬電流信號(hào)的形式傳遞。所以，控制器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)均采用了內(nèi)置PC一百零四控制平臺(tái)，并設(shè)有二個(gè)RS-232串口和二個(gè)A/D出口通道。

（二）遠(yuǎn)程控制中心

遠(yuǎn)程控制中心應(yīng)執(zhí)行接受和傳送無(wú)線通信數(shù)據(jù)的功能，其數(shù)據(jù)的接受與傳送均采用串聯(lián)型接口實(shí)現(xiàn)。為此，遠(yuǎn)程控制中心的設(shè)備設(shè)計(jì)使用了標(biāo)準(zhǔn)筆記本電腦，并選擇了USB-RS-232串行型接口[7]。模擬中心與測(cè)控節(jié)點(diǎn)之間有二種連接，它們?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)串口和二個(gè)D/A和A/D通道。其中，標(biāo)準(zhǔn)串口完成了對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的模擬，而二個(gè)D/A和A/D通道則完成了對(duì)二臺(tái)電機(jī)控制電壓傳輸?shù)哪M。而測(cè)控船與遠(yuǎn)程中心之間有一種無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由一種無(wú)線模塊組成，以進(jìn)行信號(hào)交流，該通信接口也可簡(jiǎn)化，并從邏輯上可以理解為串行通信。

Simulation Center軟件是VC++6.0編制的MFC編程，包含了串口控制器、Pci9112擴(kuò)展卡控制器，以及曲線繪制組件[8]。閉環(huán)仿真系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)要求仿真控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)接受控制節(jié)點(diǎn)的輸入信息并形成實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)輸出，高實(shí)時(shí)性能夠提高零點(diǎn)五實(shí)物模擬系統(tǒng)的穩(wěn)定性與精確度。該軟件通過(guò)多媒體定時(shí)器技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)模型迭代的實(shí)際性能，定時(shí)精確度約為一毫秒。而基于經(jīng)驗(yàn)，對(duì)無(wú)人駕駛船舶模型的仿真階段約為10毫秒。使用Visualc++WM對(duì)傳感器進(jìn)行了調(diào)度，以及定時(shí)器消息映射的實(shí)現(xiàn)。并通過(guò)基于對(duì)象的軟件設(shè)計(jì)方法來(lái)仿真無(wú)人值守的船舶，設(shè)計(jì)類(lèi)別cautausv補(bǔ)充了對(duì)無(wú)人值守船舶的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬，提供了與無(wú)人值守的船舶內(nèi)部運(yùn)行空間密切相關(guān)的所有參數(shù)，并將其封裝到該類(lèi)別中用作私有輸出。通過(guò)采用這種方法，將無(wú)人值守船舶的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)空間完全利用這種內(nèi)部動(dòng)作完成。同時(shí)通過(guò)對(duì)無(wú)人值守船舶特性的解析，需要一個(gè)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛船舶狀態(tài)的實(shí)時(shí)重復(fù)，以解決下一時(shí)刻船舶的狀況，并規(guī)劃一個(gè)功能cautausv：：onestepo來(lái)實(shí)現(xiàn)船舶狀態(tài)的重復(fù)，它不僅能及時(shí)模擬船舶的運(yùn)動(dòng)。還需要設(shè)計(jì)函數(shù)cautausv：：getstateso來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛船舶狀態(tài)的輸出，與使用傳感器測(cè)量船舶狀態(tài)相對(duì)應(yīng)。還必須設(shè)計(jì)cautausv功能：一個(gè)用于外部控制設(shè)備的控制功能，對(duì)應(yīng)于影響船舶狀況的螺旋槳運(yùn)動(dòng)。無(wú)人造船系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括以下幾點(diǎn)。

1.UC/OS-II操作系統(tǒng)的傳輸和任務(wù)分配

執(zhí)行編隊(duì)任務(wù)時(shí)，處理STM32任務(wù)和計(jì)算數(shù)據(jù)的要求很高。UC/OS-II操作系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)任務(wù)共享和調(diào)度，如讀取數(shù)據(jù)、計(jì)算姿態(tài)和接收無(wú)人駕駛船只的命令，以確保任務(wù)的實(shí)時(shí)完成。

2.無(wú)人造船控制系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

包括位置數(shù)據(jù)融合、導(dǎo)航控制和編隊(duì)控制軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

3.通信編程

無(wú)人駕駛船舶通過(guò)Wi-Fi連接到地面站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。模擬軟件模擬的傳感器輸出格式如圖4所示。

（一）構(gòu)建系統(tǒng)

根據(jù)上述章節(jié)所述無(wú)人造船系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本章將對(duì)三艘小船進(jìn)行測(cè)試，并通過(guò)表面物理測(cè)試驗(yàn)證監(jiān)控系統(tǒng)形成的可行性。驗(yàn)證監(jiān)測(cè)多艘無(wú)人船編隊(duì)的有效性和穩(wěn)定性。從編隊(duì)算法、船體結(jié)構(gòu)、軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)到地面站系統(tǒng)的實(shí)施，圖5所示無(wú)人編隊(duì)控制系統(tǒng)的原型開(kāi)發(fā)已經(jīng)完成。圖（a）是內(nèi)部硬件連接圖，圖（b）實(shí)際上是完成的三艘無(wú)人駕駛船只。原型平臺(tái)搭建完成后，首先測(cè)試內(nèi)部控制面板，確保其正常運(yùn)行。然后用遙控器檢查無(wú)人駕駛船舶的葉片是否正常旋轉(zhuǎn)。與地面站系統(tǒng)一起，三艘無(wú)人駕駛船舶通過(guò)TCP/IP協(xié)議連接到地面站，以測(cè)試連接是否成功。試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，電機(jī)通過(guò)遠(yuǎn)程控制和地面站可以正常運(yùn)行;GPS內(nèi)部信號(hào)弱，難以在地圖上顯示，地面站連接正常。

（二）實(shí)驗(yàn)分析

控制平臺(tái)完成后，發(fā)射測(cè)試將測(cè)試一艘無(wú)人駕駛船舶的導(dǎo)航功能和多艘無(wú)人駕駛船舶的編隊(duì)功能。試驗(yàn)場(chǎng)地位于實(shí)驗(yàn)室后面的河流，相對(duì)平靜，沒(méi)有障礙物。測(cè)試的第一步是確定地面站每艘無(wú)人船的目標(biāo)點(diǎn)，并觀察無(wú)人船是否到達(dá)指定位置。其次，將數(shù)據(jù)作為編隊(duì)的導(dǎo)航路線發(fā)送給飛行中的無(wú)人船，并觀察多艘無(wú)人船的編隊(duì)。最后，應(yīng)測(cè)試無(wú)人駕駛船舶信號(hào)的接收能力和耐久性。無(wú)人駕駛船舶接收信號(hào)的最大距離為100米，連續(xù)航行15分鐘后可返回初始位置，滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

隨著水資源保護(hù)的重要性越來(lái)越顯著，與多艘無(wú)人駕駛船舶合作的水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)也將受到更多關(guān)注。作為水質(zhì)協(xié)同監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)，多艘無(wú)人船編隊(duì)技術(shù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外無(wú)人船編隊(duì)的研究現(xiàn)狀，定義了無(wú)人船編隊(duì)系統(tǒng)的具體要求和系統(tǒng)體系，開(kāi)發(fā)了無(wú)人船編隊(duì)監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)編隊(duì)控制器進(jìn)行編隊(duì)控制，并通過(guò)EKF過(guò)濾技術(shù)提高無(wú)人駕駛船舶的定位精度，以確保編隊(duì)過(guò)程中的編隊(duì)穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]萬(wàn)占鴻，王艷，宋天予，等.基于協(xié)同云控制的多無(wú)人船編隊(duì)協(xié)同控制系統(tǒng)及方法.CN108200175A[P]，2018.

[2]劉暢.基于定向天線的多無(wú)人船編隊(duì)自組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂扑惴ㄑ芯縖D].海南大學(xué)，2017.

[3]陶瑞.無(wú)人船控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].電子技術(shù)與軟件工程，2020（21）：2.

[4]龔波.無(wú)人船航向控制器設(shè)計(jì)與仿真研究[D].廣西大學(xué)，2019.

[5]張桂軍，馮凱，呂錦釗，等.對(duì)無(wú)人船控制系統(tǒng)的初步研究及應(yīng)用[J].廣東造船，2021，40（1）：4.

[6]關(guān)海濱，艾矯燕.全局快速終端滑模控制在欠驅(qū)動(dòng)無(wú)人船鎮(zhèn)定中的應(yīng)用研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2018，43（6）：12.

[7]張舵，劉滿(mǎn)國(guó)，章校，等.基于半實(shí)物仿真環(huán)境的系統(tǒng)誤差分析研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2019，31（1）：7.

[8]段素文.關(guān)于船舶綜合控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)分析[J].中國(guó)水運(yùn)（下半月），2014，14（11）：113-117.

作者簡(jiǎn)介：楊曉昆，男，遼寧葫蘆島人，漢，1983.12，大學(xué)本科，研究方向：從事無(wú)人船舶、編隊(duì)控制。