水面无人船驱动电机远程控制系统设计与实现

田延飞，周欣蔚，熊 勇，牟军敏

(1. 浙江海洋大学，船舶与海运学院，舟山 316022；2. 内河航运技术湖北省重点实验室，武汉 430063；3. 武汉理工大学，航运学院，武汉 430063)

0 引 言

近年来，随着电子信息技术及计算机技术的不断发展，船舶电子推进系统取得了极大突破[1]。电子推进系统因其空间占比小、操作性能好、自动化程度高和维护成本低的优势，成为水面无人船的主要推进系统[2]。一般地，研究船舶电力推进控制系统的成本较高，同时也存在开发周期较长等问题[2-5]。船舶驱动电机是船舶动力来源，是电力推进系统的关键组成。因此，研究并设计出高效的船舶驱动电机控制系统在实际的工程应用中有着重要的意义[6-7]。

目前，智能航运是一项研究热点。智能船舶是智能航运的重要组成。其中，操纵控制技术是智能船舶关键之一。在目前智能航运发展主题下，研究船舶驱动电机的远程控制、智能控制，对发展智能船舶、促进智能航运、规避海上人员安全风险等具有重要意义。

在应用系统开发方面，作为一款简单、便捷、易上手的开源硬件产品[8]，Arduino因其各种优势而被广泛应用。基于Arduino及其支持的各种传感器模块、通信模块等，能够方便地实现各种功能，如数据观测、数据传输、本地自主控制、远程遥控、视频监控等[9-12]。

针对智能航运时代背景下的船舶远程操纵与控制，本文介绍一种面向水面无人船的驱动电机远程控制系统。该系统以Arduino MEGA 2560为中央控制板，采用GPRS实现远程（无线）通信，以实现远程控制的功能与目的。

1 控制系统设计

1.1 总体架构

设计的驱动电机远程控制系统由无人船（艇）端和岸基操控端两大部分组成。其中，无人船端由船体、无线通信模块、中央控制板、电机及驱动、电源等构成；岸基操控端主要由操纵输入设备、中央控制板、无线通信模块等构成。系统架构图如图1所示。

图1 控制系统结构总体设计Fig. 1 Overall structural design of the control system

船舶驱动电机控制系统中央控制板采用Arduino MEGA 2 560，无线通信模块采用GPRS。Arduino MEGA 2 560组件与GPRS组件串联并分别安装于无人船端及岸基操控端。岸基操控端主要由操纵手柄（电机转速）、上位机电脑等构成。总体上，岸基操控端操纵手柄用于输入操纵命令，经无线通信传输至无人船端，进而控制电机。同时，无人船端电机转速等数据经无线通信反馈至岸基操控端，并在上位机电脑进行可视化显示（无人船运动状态监测）。

1.2 主要硬件及作用

设计的船舶驱动电机控制系统中控制、通信、动力、操纵、显示等功能硬件主要有中央控制板、无线通信模块、电机及驱动、操纵输入与状态显示设备等。

1.2.1 中央控制模块

设计的船舶驱动电机控制系统采用具有多个输入输出接口[6]的Arduino MEGA 2 560元件作为中央控制板。元件工作电压、接口等参数见文献[7-8]。

无人船端，中央控制板主要用于：通过控制电平信号的高低来改变电动船用推进器电机的旋转方向，通过控制PWM值的变化来改变电机转速，从而实现了对运动方向及运动速度的控制；各设备（模块）联动，以实现信息收发功能。岸基操控端，中央控制板主要用于各设备（模块）联动，以实现信息收发功能。

1.2.2 无线通信模块

设计的船舶驱动电机控制系统采用通用分组无线服务（GPRS）技术实现实时无线通信。硬件方面，本文采用USR-GM3P GPRS模块。

1.2.3 电机及驱动

自行设计并研发出的无人船“海之灵1”采用外挂式整体型船用电动推进器（见图2）中的直流电机及螺旋桨（图2线框内部分，2套）。电机工作电压12 V，输出功率约800 W。

图2 船用电动推进器Fig. 2 Marine electric propeller

1.2.4 操纵输入与状态显示设备

设计的船舶驱动电机控制系统中，岸基操控端的操纵输入与状态显示设备主要由左/右转速操纵手柄、上位机电脑等构成。总体上，岸基操控端的操控命令，经无线通信（由Arduino 2 560和GPRS模块实现该功能）传输至无人船端，进而控制电机；无人船端电机转速等数据经无线通信反馈至岸基操控端，并在上位机电脑进行可视化显示。同时，上位机电脑安装Arduino IDE，GPRS助手等，用于对系统进行开发、调试与配置。

2 操控方式与通信流程

设计的船舶驱动电机控制系统可在2种操控方式实现无线通信与远程控制：岸基端人工操控和岸基端自动操控。操控方式与系统通信流程见图3。

1）岸基端人工操控方式通信流程

在岸基操控端人工输入左车、右车转速的相关指令；操控指令经Arduino模块，GPRS模块传输至无人船端，并指示电机驱动；电机响应，改变船舶运动状态；到达操纵目的，进入状态保持操纵阶段；未达到操纵目的，则继续执行上述步骤。

2）岸基端自动操控方式通信流程

对航线进行人工规划：在岸基操控端上位机软件中输入目的点；规划航线经Arduino模块，GPRS模块传输至无人船端；无人船端进行航线规划：航向计算；无人船端基于PID计算电机转速控制指令，并指示电机驱动；电机响应，改变船舶运动状态；到达规划航向，进入状态保持操纵阶段；未达到规划航向，则继续执行上述步骤。

图3 操控方式与系统通信流程Fig. 3 Control mode and the communication process

3 测试与验证

基于模型船、实际无人船“海之灵1”对设计的船舶驱动电机控制系统进行调试、测试，以完成系统研发和应用验证。试验内容主要包括远程转向操纵、航向保持、旋回操纵、Z型操纵等。

经过实际无人船的测试与应用验证，本文设计的船舶驱动电机远程控制系统主要达到了如下功能和效果：

1）操纵与控制

系统执行相应的控制指令，改变电机旋转速度及方向，实现无人船运动状态的改变。

2）航向保持与路径跟踪

在岸基操控端设置固定的航向或跟踪的路径后，控制系统能够使得无人船保持稳定的航向或跟踪设置的路径。

3）无线通信

主要通过GPRS来实现操控端与无人船端的无线通信。

基于实际无人船的验证表明，本文设计的基于Arduino船舶驱动电机远程控制系统操作方便，通信流畅，运行稳定，能够用于无人船远程操纵和控制。

4 结 语

本文设计并实现了一种面向水面无人船的驱动电机远程控制系统。系统以Arduino MEGA 2560为中央控制器，包含中央控制模块、电机驱动模块、无线通信模块和岸基操控端。通过远程控制驱动电机，实现船舶前进、后退、左转、右转等运动状态的转换；通过GPRS实现无人船端与岸基操控端的无线通信。实船测试表明，系统操作方便，通信流场，运行稳定，能够用于无人船远程操纵和控制。系统优势在于设计成本低、制造周期短、可扩展性良好。系统能够为船舶驱动电机远程控制工程应用提供参考，为无人船的发展提供支持。