无人试验船控制平台的设计及测试研究

张榆皓

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714003

摘要：由于近些年海洋灾害日益频繁，为了能够更好的保障海事人员的生命安全，无人试验船的研究成为了当下最热门的话题。本文针对无人试验船控制平台的设计和测试进行研究，内容仅供参考。

关键词：无人试验船；控制平台；设计及测试

为了更好的保障海事人员的人身安全，无人船在日常的海事活动中起到了重要的作用。无人船只的运行都是依靠控制平台来完成的，然而这个控制平台却是一个非常复杂的系统，需要通过针对无人试验船控制平台的设计及测试来模拟实际船只的控制效果。

1 无人试验船控制平台的设计内容

1.1 控制平台的硬件框架设计

控制平台的硬件框架设计主要针对船只进行的设计，包括信息采集单元、控制单元、异构通信网络单元以及输出单元。信息采集单元是为系统不断的提供数据，并保证数据的实时性，主要由电罗经、GPS、AIS等。电罗经负责当前船只的导航，GPS提供地理信息数据，AIS用于检测周围是否存在其他船只。控制单元主要是实现船只的有效控制，例如岸端的遥控、船只自主航行、匀速航行等，这些控制主要对CAN网络所接收到的来自传感器所傳递的信息进行有效反馈，并将控制指令发送给输出单元，由输出单元执行对应算法，例如航行路线规划、识别障碍物、智能躲避障碍物等[1]。异构通信网络单元的功能为保障实现船只与岸端的实时通信，通常情况下异构通信网络单元会优先选择数字电台，若在执行海事活动中数字电台无法运行的状态才会选择3G网络，保证船只和岸端始终保持数据通信。输出单元即为岸端指令的执行单元，对控制平臺发出的任何指令或算法都能够进行，保证船只与指令相对应。

1.2 控制平台的软件框架设计

控制平台的软件框架设计主要应用于岸端的控制，也就是通过软件的方式实现船只与控制平台相互通信，主要包括：存储模块、通信模块、处理模块、遥控模块等。存储模块是将通信的数据存储到对应的数据库中进行保存，便于岸端能够随时查看航速、航向以及地理信息等相关数据，并在监测界面中实时的显示。通信模块是针对数字电台以及3G网络提供有效服务的。由于数字电台具有良好的实时通信能力，所以被优先选择，通信模块中为3G网络提供船载摄像头以及文字信息两个通道，然而3G网络传输具有延时性，所以是数据通信次要选择。处理模块主要用于岸端将传输的数据进行有效处理，从而将船只航速、航向和地理信息等方面内容提取出来并在监测界面中显示出来。遥控模块是对岸端的操作指令进行有效的执行的模块，便于更好的利用数据通信实现远程控制。

2 无人试验船控制平台的测试

2.1 船只测试

船只的测试是无人试验船测试的重要环节，也是控制平台指令能否顺利得到执行的重要保证。开始整体测试前需要对无人试验船的船只在水中的运行状况进行检测，保障船只在正常通电的情况下所有的设备都能够正常的运行，并进行相应的监测，避免在整体测试过程当中出现设备问题，而且还要测试船只对指令的执行情况，保障操作指令的实时性[2]。具体步骤为先将船只内的所有硬件设备与对应单元进行连接，然后对整个电路板进行通电，并对所有设备进行实时监测，查看所有设备是否处于正常的运行状态，最后是将船只驶入湖泊当中，利用控制软件发送不同的操作指令，观察其反应的速度以及正确性。

2.2 遥控测试

遥控测试是对控制平台整体效果的进一步验证，通常情况下进行遥控测试主要针对以下几方面进行测试，比如船只与控制平台相互通信过程是否稳定、船只能否及时响应控制平台的指令、船只采集的信息是否实时传回岸端、监测系统监测到数据是否能够存储到相应的数据库中，并在查询过程中能否顺利进行调用。具体操作步骤为先将无人试验船处于未发动状态，检测所有的硬件是否都已经正常连接，然后再将船只发动，监测每个设备在船只运行的状态下是否正常，再将船驶入水中，在岸端上利用控制平台向船只发送不同的操作指令，观察其在不同的状态下执行的速度以及响应时间，最后是将数据进行保存，并观察数据库中是否已经存入的当前数据以及能够顺利的进行读取有效信息等内容。

2.3 静水域自主航行测试

无人试验船的自主航行是关键的设计要点，可根据航行的方向以及轨迹进行自主航行，从而减少人为的干预，更好地体现其无人驾驶的特点。通常对自主航行控制的采取PID控制算法，该算法不仅结构相对简单，且参数调整方便。由于无人试验船处于试验阶段，所以，通常在静水域进行自主航行测试是最为有效，且不确定因素较少，测试结果稳定。

PID算法在实现控制过程中通常通过对积分时间、微分时间以及比例系数进行调整，在测试的过程中，只要针对这三个参数进行调整就能够实现不同方向和轨迹的自主航行。具体步骤为首先将无人试验船驶入静水域之中，并使其保持匀速进行航行，然后向船只发送自主航行的控制指令，让遥控控制结果不产生任何效果，再以电子罗盘的航向角作为参数依据，调整监测软件界面中的航向值，并发送给船只，接着再一次输入PID控制算法中的三个相应参数，以实现通过参数设置来进行自主航行的有效控制，最后通过在不同时间段来调整监测软件的航向值，并发送给船只，使其在航行轨迹上的发生变化，最终观察船只的航行轨迹的变化[3]。

3 结语

通过无人试验船控制平台的设计及测试研究，能够更好地模拟实际无人海事船只的控制，便于将无人试验船控制平台的设计应用在实际的无人海事船只当中，实现海事活动的无人化方式，避免了因为海洋灾害给海事人员的生命安全带来威胁。

参考文献：

[1]刘光明.无人多功能海事船控制平台设计与通信网络的构建[D].武汉理工大学，2012.

[2]钟琎.无人试验船控制平台的设计及测试研究[D].武汉理工大学，2013.

[3]李浩.无人驾驶试验船控制平台设计与功能实现[D].武汉理工大学，2014.