多任務(wù)模式下的水空一體化無人監(jiān)控系統(tǒng)協(xié)同運行技術(shù)研究*

卞大鵬 陶大甜 巴夢圓 韓 一

（1.海軍裝備部駐武漢地區(qū)第二軍事代表室 武漢 430064）（2.武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院 武漢 430070）

1 引言

內(nèi)河航運作為水資源合理開發(fā)和綜合利用的主要途徑，在現(xiàn)代綜合運輸體系中扮演著重要的角色［1］。內(nèi)河航運發(fā)展作為國家戰(zhàn)略，其快速變化導(dǎo)致船舶數(shù)量與日俱增，這對船舶智能化設(shè)計的需求日趨明顯。同時，內(nèi)河船舶管理水平和船舶性能狀態(tài)受我國內(nèi)陸區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展不平衡的限制，存在很大的差別，船舶污染物排放法規(guī)制定相對滯后，船舶違規(guī)排放難以監(jiān)管，嚴重威脅到內(nèi)河水質(zhì)的安全。

隨著航道上的運輸船舶數(shù)量的增多，船舶事故發(fā)生率正在不斷增高。根據(jù)《2020年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》顯示，2020年全國共發(fā)生內(nèi)河航道交通事故138件，死亡、失蹤人員196人，沉船76艘［2］。如何利用先進的信息、空間技術(shù)和有效手段實現(xiàn)對船舶實時監(jiān)控、雙向通信和反饋處理結(jié)果，進而降低航道交通安全面臨的威脅［3］，對航運監(jiān)管至關(guān)重要。

航運管理部門大多采取人工和巡航艇巡航的監(jiān)管方法，只有一些發(fā)達城市的內(nèi)河航道使用單一無人機或無人船輔助監(jiān)管的智能系統(tǒng)監(jiān)管方式。解決當前監(jiān)管方式存在的問題，例如，無人船的環(huán)境感知能力有限，小范圍的觀測不利于后續(xù)的任務(wù)籌劃［4］。同時小型無人機受蓄電時間短的限制，無法將時間全部用于執(zhí)行監(jiān)控任務(wù)，需要花費大部分的時間回到出發(fā)點補充電能后再飛至任務(wù)點作業(yè)?；赪on［5］等的分析，本文結(jié)合無人機的廣域環(huán)境感知力和機動能力與無人船的局部環(huán)境感知力和長續(xù)航能力，提出復(fù)雜環(huán)境下的水空一體化無人監(jiān)控系統(tǒng)。

2 水空一體化無人監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建

水空一體化指的是水中的無人船和空中的無人機協(xié)同合作，同時船機與岸上平臺信息交互，操作人員可遠程控制完成環(huán)境信息采集工作和救援任務(wù)，同時在功能完善的船舶管理系統(tǒng)端實現(xiàn)對船舶的有效監(jiān)控，保障船舶正常完成各項任務(wù)。

基于以上分析，文章以實現(xiàn)水空一體化無人監(jiān)控系統(tǒng)為出發(fā)點，設(shè)計與實現(xiàn)帶有無線充電裝置的輔助降落平臺、系統(tǒng)協(xié)同控制監(jiān)控平臺、無人機自主降落功能和無人機高效無線充電技術(shù)。本監(jiān)控系統(tǒng)的各個部分通過無線通信技術(shù)相連，在系統(tǒng)協(xié)同控制監(jiān)控平臺上可實現(xiàn)遠距離控制和監(jiān)控信息的匯總，以滿足內(nèi)河航運監(jiān)管的需要。

3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)主要由三個部分構(gòu)成：自主導(dǎo)航無人機、雙體噴推無人船和協(xié)同控制監(jiān)控平臺。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

3.1 自主導(dǎo)航無人機設(shè)計與實現(xiàn)

四旋翼無人機的實物圖如圖2所示，硬件組成部分中的旋翼為無人機提供必要的航行供給［6］。

圖2 無人機實物圖

飛行控制中心包含有電源模塊、控制器、通信模塊和傳感器模塊，其中傳感器模塊包括陀螺儀、GPS模塊、氣壓計、磁力計等［7］。無線充電模塊由3D打印的線圈架、無線充電線圈和充電電路組成。無人機的通信模塊為2.4G數(shù)據(jù)傳輸和5.8G圖像傳輸模塊。2.4G數(shù)據(jù)傳輸模塊用于接收協(xié)同控制系統(tǒng)的控制命令以及發(fā)送無人機的狀態(tài)信息到協(xié)同控制系統(tǒng)。無人機主控板按照接收到的控制命令輸出相應(yīng)PWM波，飛控中心根據(jù)不同PWM波向電調(diào)輸出相應(yīng)信號，電調(diào)驅(qū)動電機完成指定動作。傳感器模塊中：GPS獲取無人機當前的經(jīng)緯度信息，陀螺儀獲得無人機當前的姿態(tài)，氣壓計獲得無人機的當前高度，電壓檢測模塊用于實時測量無人機的剩余電量。攝像機安裝在無人機底部中心，通過5.8G圖像傳輸模塊將攝像機拍攝到的實時畫面?zhèn)鬏數(shù)絽f(xié)同控制平臺［8］。

基于文獻［9］中對無人機基礎(chǔ)運動控制對討論，本文設(shè)計了GPS導(dǎo)航定點飛行算法，如圖3所示。

圖3 GPS導(dǎo)航定點飛行算法流程圖

導(dǎo)航算法的實現(xiàn)是基于無人機上的硬件結(jié)構(gòu)GPS模塊以及PC端上的上位機。當無人機導(dǎo)航指令發(fā)出時，上位機上的導(dǎo)航功能開始執(zhí)行。上位機通過獲取無人機GPS經(jīng)緯度與目的地經(jīng)緯度，準確計算出經(jīng)度差值和緯度差值，并實時比對兩差值與0的大小關(guān)系來決定給無人機發(fā)送何種飛行指令，每秒20次的對比頻率能保證無人機不會偏離設(shè)定的軌跡［10］。無人機接收到飛行指令后不斷接近目標地點上空，與目的地的距離達到閾值范圍內(nèi)時，導(dǎo)航停止，實現(xiàn)自動導(dǎo)航。同時，無人機的速度大小也受目的地的距離控制，在離目標地點較遠時，無人機以較快的速度行進，到達目標附近后，無人機速度降低為后續(xù)的圖像識別降落做準備以提高降落穩(wěn)定性和精準度［11］。

3.2 雙體無人船設(shè)計

根據(jù)實際需要，系統(tǒng)所用無人船甲板面積應(yīng)足夠大以便于無人機降落，同時綜合考慮成本及其他因素，我們最終選擇雙體船作為無人船船型［12］。雙體船相對于單體船而言，具備良好的穩(wěn)定性，這有利于無人機的成功降落。我們采用母型船改造法，以某高速艇作為母型船，片體瘦長并采用球鼻艏和方尾，并根據(jù)無人船的性能和工作要求進行設(shè)計［13］。無人船船體主尺度見表1所示。

表1 無人船主尺度

無人船推進器采用噴水推進的方式，具有效率高、操縱性好、安全、成本低、適用于淺水環(huán)境的優(yōu)點［14］。矢量噴口利用連桿機構(gòu)與舵機相連，可實現(xiàn)在左右方向最大15°的偏折［15］。

3.2.1 無人船控制模塊設(shè)計與實現(xiàn)

無人船的通信模塊與無人機的相同，2.4G數(shù)據(jù)收發(fā)模塊用于接收協(xié)同控制系統(tǒng)的控制命令以及發(fā)送無人船的狀態(tài)信息。無人船的接收到遠程操作指令后控制驅(qū)動器，驅(qū)動器驅(qū)動電機完成指令。GPS和陀螺儀的功能與無人機也相同。在無人船的前方設(shè)置測距雷達，用于獲得前方障礙物距離信息并避障。同時，在無人船前端艦島上設(shè)有攝像頭，用于拍攝周圍環(huán)境，通過5.8G圖像傳輸模塊將攝像頭拍攝到的實時畫面?zhèn)鬏數(shù)絽f(xié)同監(jiān)控系統(tǒng)。船上還設(shè)有專用的船載降落平臺，用于無人機的起降，以及帶滑臺控制的無線充電模塊，用于給降落的無人機補充電量。

3.2.2 船載工控機顯示界面設(shè)計

界面主要由四個部分組成，串口連接控件：實現(xiàn)與GPS、主控板和岸機的串口連接功能和數(shù)據(jù)發(fā)送接收功能；無人船信息控件：航行狀態(tài)用于顯示當前時刻無人船的經(jīng)度、緯度、續(xù)航里程、電量和陀螺儀用于顯示無人船航行姿態(tài)；攝像頭控件：通過拍攝畫面獲取當前水面信息；功能控件：有兩個功能按鍵錄像與雷達，其中錄像用于開始攝像頭窗口錄像，雷達用于獲得前方障礙物距離信息，并輔助無人船避障。

3.3 基于PC端的遠程控制系統(tǒng)

3.3.1 上位機用戶界面設(shè)計

上位機監(jiān)控界面由系統(tǒng)信息、功能控制、無人機和無人船監(jiān)控控件構(gòu)成。系統(tǒng)信息框用于顯示無人機與無人船的工作狀態(tài)，無人機飛行狀態(tài)包括無人機四路通道值、經(jīng)緯度、高度、航向以及電量，無人船航行狀態(tài)包括陀螺儀四項參數(shù)（俯仰角、航向角、滾輪角、溫度值）、船速、無人船經(jīng)緯度及電量。功能框中的按鍵用于實現(xiàn)無人機、無人船和無線充電平臺上的相應(yīng)功能。水面信息由監(jiān)控控件獲得。河道工作站監(jiān)控人員可根據(jù)信息控件判斷系統(tǒng)狀態(tài)，利用功能控件控制系統(tǒng)并執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)，利用監(jiān)控控件實現(xiàn)實時監(jiān)控。

3.3.2 上位機軟件設(shè)計

PC機與無人機主控板和攝像頭分別通過2.4G數(shù)傳和5.8G圖傳實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，并將相關(guān)信息實時顯示在上位機上。主控板接收并解析由串口傳輸?shù)目刂茻o人機飛行狀態(tài)的指令后，傳輸給飛控平臺。無人機的飛行狀態(tài)以及機載攝像頭拍攝的實時畫面也以此原理傳輸傳回給PC機，最終實現(xiàn)無人機的遠程PC上位機控制與實時監(jiān)控。上位機將圖形界面的指令發(fā)送給主控板，主控板收到指令后依次對指令、按鍵沖突狀態(tài)、按鍵狀態(tài)進行判斷，隨后將解析后的指令傳輸給飛控改變對應(yīng)通道值，實現(xiàn)相應(yīng)動作。無人船的控制原理與無人機的控制相似，PC上位機發(fā)送的指令由無人船主控板解析并直接控制無人船噴推及倒車斗。所有關(guān)于無人機與無人船算法的復(fù)雜運算都在PC機上進行，無人機與無人船只接收并執(zhí)行由PC機傳輸過來的基本指令，這樣做提升了無人機、無人船對于相關(guān)指令的反應(yīng)速度以及程序的穩(wěn)定性與準確性。

3.3.3 無線充電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

該結(jié)構(gòu)包含無線充電模塊、電流充電管理模塊以及自主移動充電臺控制模塊。無線充電模塊用于將船載電源輸出的直流電經(jīng)過由電能轉(zhuǎn)化為磁能最后又轉(zhuǎn)化為電能的過程輸出，達到能量轉(zhuǎn)化的目的［16］。充電線圈發(fā)射端固定于移動平臺處，接收端固定于無人機底部機架中心處；電池充電管理模塊為了提高充電電路的工作性能與充電速率，會根據(jù)鋰電池狀態(tài)改變充電方式，延長鋰電池壽命［17］。通過獲得船載電源的輸出功率，判斷并自主移動直至尋找到能量轉(zhuǎn)化功率最大值處進行快速充電［18］。充電保護單元用于檢測充電電流與電池電壓，防止出現(xiàn)過壓及過流現(xiàn)象［19］。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 船載無線充電技術(shù)

受限于電池技術(shù)和充電技術(shù)，無人機續(xù)航時間較短而不得不返航補充電量，在很大程度上制約了無人機的實際應(yīng)用。它們的作業(yè)時間無法滿足作業(yè)需求。無人船無人機協(xié)同控制系統(tǒng)需設(shè)計充電模塊補充無人機電量，增加系統(tǒng)工作時長。針對以上問題，我們設(shè)計了一套船載無人機無線充電裝置，其實物圖如圖4所示。

圖4 無線充電實物圖

當無人機成功降落在船載降落平臺上后，充電臺開始自主移動尋找最佳無線充電位置。電機的動力供給制約滑臺的挪動。在滑臺移動過程中，電流采樣單元實時采樣充電電流，判斷發(fā)射功率是否達到最大值，在最佳充電位置滑臺停止移動以達到最大充電效率［20］。

4.2 無人機與無人船協(xié)同控制監(jiān)控方式

針對單類型無人機或無人船的監(jiān)管方式存在無人機續(xù)航里程短，無人船機動性差、視野范圍有限等難以克服的問題，提出了船機協(xié)同控制與監(jiān)控方法，以提高系統(tǒng)工作效率。利用無人機與無人船協(xié)同工作，有效地彌補了無人船視野范圍小的不足。同時在無人機電量不足時，使用無人船的無線充電設(shè)備為無人機充電，延長了其作業(yè)時間。水空一體化無人監(jiān)控系統(tǒng)合理分配資源，減輕了無人船和無人機的數(shù)據(jù)處理負擔，將復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理計算交給岸上PC機，延長二者的作業(yè)時間。

4.2.1 協(xié)同控制原理

為了達到上述目的，無人船與無人機協(xié)同控制系統(tǒng)組成包括無人機、無人船及岸端監(jiān)控平臺。

協(xié)同控制系統(tǒng)接收岸端監(jiān)控平臺發(fā)送的任務(wù)指令，輸出控制信號，控制無人船與無人機協(xié)同完成作業(yè)。

岸端監(jiān)控平臺即上位機控制軟件，用于顯示無人船、無人機的狀態(tài)信息，發(fā)送任務(wù)及航線給協(xié)同控制系統(tǒng)，也可通過手動控制二者合作。岸端監(jiān)控平臺可調(diào)用電子地圖，通過在電子地圖上標記起始點、終止點位置自動生成無人船與無人機的航線。無人機和無人船的狀態(tài)信息為系統(tǒng)運行過程中的必要信息。

任務(wù)發(fā)布時，岸端監(jiān)控平臺將當前時刻的無人船、無人機狀態(tài)信息發(fā)送給協(xié)同控制系統(tǒng)，控制器根據(jù)當前計算資源、網(wǎng)絡(luò)控制參數(shù)、經(jīng)驗池數(shù)據(jù)開始計算任務(wù)分配執(zhí)行情況，將計算結(jié)果轉(zhuǎn)化成最終控制信號，通過點對點通信，監(jiān)控平臺將控制命令分別發(fā)送給無人機和無人船，控制無人機、無人船按指定的姿態(tài)指定的速度到達指定的位置完成指定的工作。

基于協(xié)同控制理論的無人機與無人船協(xié)作控制系統(tǒng)利用無人機與無人船協(xié)同工作，有效地彌補了無人船獲得空域信息的缺陷，而無人船也在適當?shù)臅r間點為無人機補充電能，避免無人機休眠；同時，基于協(xié)同控制，合理利用資源，減小了無人船和無人機的數(shù)據(jù)處理負擔，降低無人船和無人機的能耗，使系統(tǒng)的續(xù)航能力增強。通信模塊滿足工作數(shù)據(jù)傳輸速度和空間遠近的要求。

4.2.2 協(xié)同監(jiān)控平臺

無人機功能控制主要包括地圖導(dǎo)航、自動前往、目標跟隨、自主降落［21］。地圖導(dǎo)航功能用于獲取無人機將要去往的目的地坐標并將其顯示到目的地坐標窗口中，自動前往功能用于實現(xiàn)無人機根據(jù)地圖導(dǎo)航得到的經(jīng)緯度和高度自動飛行前往，目標跟隨功能用于實現(xiàn)無人機跟隨無人船飛行，并且可以成功在無人操控的狀態(tài)下由空中落到船上。

地圖導(dǎo)航功能用于獲取無人船將要去往的目的地坐標并將其顯示到目的地坐標控件中，軌跡航行功能用于實現(xiàn)無人船沿既定軌跡航行，軌跡顯示功能用于在軌跡顯示子窗口中同時實時實現(xiàn)顯示無人船航行軌跡與無人機飛行軌跡，其顯示結(jié)果如圖5所示。在軌跡顯示子窗口中，每一小段的比例尺為5m，紅線表示無人機飛行的軌跡，黑線表示無人船航行的軌跡。

圖5 軌跡顯示

監(jiān)控部分由拍照設(shè)備和識別設(shè)備構(gòu)成。攝像頭控件用于顯示無人機實時拍攝的畫面。

4.2.3 水質(zhì)監(jiān)測

現(xiàn)階段的水質(zhì)監(jiān)測移動船主要應(yīng)用于面積較大的水域。為了滿足常規(guī)檢測和應(yīng)急測量的需求，常依靠水質(zhì)監(jiān)測船攜帶多種水質(zhì)檢測設(shè)備，內(nèi)河的水質(zhì)劣化情況和預(yù)警監(jiān)控能力得到很大的提升。但這種做法需要配備數(shù)名工作人員，造成大量資源的浪費。城市水質(zhì)的監(jiān)測大大依靠人工，它更需要一種資源節(jié)約型、適應(yīng)多種場景的水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備。

為解決上述問題，無人船上加入了pH值傳感器和濁度傳感器，能夠在對水面狀況監(jiān)控的同時對該片水域的水質(zhì)進行檢測。依據(jù)國標，不用的pH值對應(yīng)不同的水質(zhì)種類，如表2所示。

表2 國標水質(zhì)種類與pH值對應(yīng)表

現(xiàn)階段水質(zhì)檢測儀中包含pH值傳感器，其能夠檢測水體pH值并通過引腳電壓信號U進行反饋。其換算公式如式（1）所示：

為了衡量水質(zhì)是否清澈，我們選用了濁度這一標準。無人船在搭載無人機進行監(jiān)控工作時，不僅自身承擔一部分監(jiān)控功能，同時能夠通過無人船附帶的水質(zhì)檢測儀，實時監(jiān)控水質(zhì)并反饋上位機。監(jiān)控者通過該數(shù)據(jù)判斷該水域水質(zhì)情況。例如，在污染物泄露水域內(nèi)尋找污染源的任務(wù)中，無人船通過水質(zhì)檢測儀尋找水質(zhì)數(shù)據(jù)與正常水質(zhì)有較大不同的區(qū)域，此時監(jiān)控者可派出無人機，通過俯視視角進一步確定泄露源區(qū)域，實現(xiàn)無人機與無人船的協(xié)同工作，完成污染源的精確定位。

5 系統(tǒng)測試與分析

5.1 實驗?zāi)康?/h3>

為驗證系統(tǒng)的可靠性，對系統(tǒng)整體工作效果進行測試，以進一步降低系統(tǒng)的誤差，提高系統(tǒng)的精度。主要測試系統(tǒng)完整的協(xié)同控制功能，即無人機在無人船上起飛并沿著預(yù)設(shè)軌跡跟隨無人船飛行，并可以在輔助降落平臺上及時補充電量。

5.2 系統(tǒng)整體協(xié)同控制實驗

為了測試系統(tǒng)整體協(xié)同監(jiān)控功能，我們進行了一次模擬內(nèi)河非法排污監(jiān)測過程。實驗過程顯示，系統(tǒng)在航行模式時，無人船搭載無人機向預(yù)定目標地航行；跟隨模式時，無人機能在一定距離范圍內(nèi)跟隨無人船；當執(zhí)行水質(zhì)監(jiān)測任務(wù)時，水質(zhì)傳感器檢測到pH值或濁度值超標時，可派出無人機進行詳細拍攝并確定污染區(qū)域；當無人機自主降落時，存在無人機因未能完全降落到輔助降落平臺中心而碰到輔助降落平臺邊緣后滑落到平臺底部的實驗現(xiàn)象；無線充電裝置可對無人機進行電能補充，但受降落誤差的影響，充電功率不是最大。

5.3 實驗結(jié)論

實際系統(tǒng)及各單一模塊實驗表明，系統(tǒng)可較好地實現(xiàn)無人機、無人船和PC上位機相互聯(lián)合，各模塊的功能可以分別實現(xiàn)，設(shè)計系統(tǒng)的要求得到滿足。但系統(tǒng)整體協(xié)同控制方面仍存在一些問題需要改進，后期將繼續(xù)進行該方面的實驗，還需優(yōu)化軟硬件參數(shù)，滿足協(xié)同系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同的環(huán)境需求。

6 結(jié)語

針對當前內(nèi)河航運監(jiān)管、觀測范圍有限的問題，本文提出了多任務(wù)模式下的水空一體化無人監(jiān)控系統(tǒng)協(xié)同運行技術(shù)。首先設(shè)計并實現(xiàn)了改進型圖像濾波算法和控制權(quán)轉(zhuǎn)移判定算法，提高了無人機自主降落到無人船上的精確度和可靠性，準確率達到85%以上。其次，提出了一種自適應(yīng)式無線充電裝置，彌補了無人機執(zhí)行任務(wù)時能力短的缺陷。最后基于PC上位機開發(fā)了無人機與無人船協(xié)同監(jiān)控平臺，實驗結(jié)果表明，該平臺具有對無人船、無人機的遠程智能控制與航行軌道規(guī)劃、無人機自主降落、無線充電等功能，滿足河道管理對監(jiān)控系統(tǒng)的智能化操作的需求。