无人船转向系统发展与应用

杨毅

摘要∶随着当今社会的快速发展，自动化、智能化已经成为发展中的主要方向。无人船作为一种智能化的水面机器人，具有自主航行的能力，并且能够进行环境感知和目标探测，无人船可以在危险的水面替代人类完成重要的任务，因此无人船的应用受到世界各国的广泛关注。在无人船的发展过程中更是实现了从半自动化向智能化的转变，当下国外的无人船技术已经十分成熟，但就现阶段我国无人船的发展现状来看，还具有很大的上升空间，因此才需要不断地进行创新和完善，才能更好地推动我国无人船事业的发展。

关键词：无人船；转向系统；发展；应用

引言

无人船差速自动转向控制系统,包括导航系统,所述导航系统用于获取无人船位置,航向和速度的信息;显示设备,所述显示设备用于存储期望的无人船直线轨迹参数和显示无人船状态信息;自动转向控制器,所述自动转向控制器用于计算控制量并将控制量输出给电子调速器,所述电子调速器用于控制螺旋桨电机转速,本发明提出的自动转向系统取消了两侧的转向舵机,而是将螺旋桨绕旋转轴和船体固定,通过设计的控制算法,自动调节左右两个螺旋桨转速差,实现无人船转向控制。

一、无人船的国内外研究现状

虽然相较无人机、无人车等技术，无人船研发起步晚，但发展迅速，在军事领域和民用领域都有所应用，已被很多国家列为重要的发展方向，愈加重视和致力研究。智能化一直是船舶发展的趋势。近年来，随着物联网、大数据、云计算、人工智能等新理念、新技术的突飞猛进，船舶自动化水平不断提高，无人船艇的实现有了科技支撑，无人驾驶船舶航行于全球有了实现的可能性。

1.1无人船的国内研究现状

就国内外研究现状来看，近年来，国内学者关于无人船的研究也一直都在进行，如大连海事大学的张树凯，刘正江，张显库，刘玉（2015）对无人船艇的基本概念、发展历程、系统构成及基本特点、研究中涉及的关键技术、应用前景和发展趋势等问题进行了综述；张云飞，潘登 ，蔡玉良，刘金华等人（2017）重点研究了国际组织颁布的有关船舶设计和建造的国际海事公约，包括《国际海上人命安全公约》、《国际防止船舶造成污染公约》、《1966 年国际载重线公约》、《国际海上避碰规则公约》、《2001 国际控制船舶有害防污底系统公约》、《2004 国际船舶压载水及沉淀物控制和管理公约》、《1969 年国际船舶吨位丈量公约》和《2006 年海事劳工公约》并且主要研究讨论了在这八个公约框架下无人船的设计问题；湖北警官学院的张建（2017）从公安实战的角度出发，分析了警用无人船的应用现状及涉及到的关键技术。

1.2无人船的国外研究现状

相比于国内关于无人船的研究现状，国外的学者关于无人船研究在技术、规则和性能标准等层面取得了累累科研成果 。

大多数国外学者关于无人船的法律问题进行了更加深入探讨，如Rob McLaughlin（2011）简要的分析了如何借鉴无人车在技术问题及监管的法律制度上面的成功经验，推及到海上无人船的监管法律制度的构建；Ms Luci Carey（2017）的研究也认为无人船的发展在技术上已经取得突破性成就，但是仍需解决一些法律上的障碍，他从普通法的角度列举了其中的一些障碍，比如《海牙 - 维斯比规则》，COLREG等相关条款是否适用无人船，Ms Luci Carey认为除非这些问题在国际上得到解决，否则无人船作为载货船的用途在发展上将受到限制；Aldo Chircop（2018）的研究认为国际航运因无人船的到来将进入到一个崭新的时代，但是当代国际海洋法和国际海事法对航行和航运的规定是以船上人员存在和控制为前提的，因此需要要确定无人船如何适用1982年《联合国海洋法公约》的规定，以及若干海事公约将进行重新审查，Aldo Chircop探讨了无人船需要考虑的监管体系和框架，并指出无人船有可能为国际法和国际海事组织提供新的研究方向；Thanasis Karlis（2018）从国际海事法的角度分析了无人驾驶船舶的问题，特别是船员相关条例如SOLAS，STCW和MLC， 他的主要目标是找出可能阻碍船东投资或采用新技术的潜在运营困难，并针对这些发现的困难提出可以缓解的建议。

二、无人船控制系统设计

2.1 无人船控制系统总体方案设计

无人船控制系统主要包括水上无人船子系统和岸基监控子系统，而水上无人船子系统包括无人船载体机械架构、下位机主控制中心、驱动控制中心、网络通信子系统、自主导航子系统、环境信息采集子系统、动力装置子系统和备用控制中也子系统。岸基监控子系统包括无人船控制中心和无人船视频监控中心。

在进行无人船控制系统设计时主要的设计目标是实现自主导航，做到让船按照规划好的路线进行行使。在导航定位环节主要是利用全球定位系统与捷联惯导系统进行合作。采用主控芯片、直流电机、电源显示以及信息采集等模块共同作业，再融合网络技术、通信技术来实现对无人船的操控和监视，利用先进的上位机软件，使其在手机上就可以掌握无人船的信息，并且操作简单便捷。

2.2下位机系统设计

下位机系统是无人船控制系统的重要构成，技术人员可以引进具有高性能、低功耗的微处理器作为主控芯片，比如：S3C2440 型号处理器。在设计过程中，技术人员需要着重考虑下位机系统的稳定性，在引进微处理器的同时对其进行研究测试，同时引进具有相应性能的集成控制板，将其作为驱动控制中心，对控制系统的信息采集子系统进行控制。集成控制板还可以负责多路传感器的信息采集控制工作，同时对无人船驱动数字档位板进行联动操控。在本次设计时，技术人员选择了 STM32F103VCT6 处理器的 STM320 集成控制板，连接控制系统继电器、无人船驱动器，根据不同的驱动器单位实现无人船的前进与后退控制；若 STM320 集成控制板接收到左拐的指令，则会做出相应反应，同时输出 PWM 信号，实现对无人船舵机的控制。

2.3优化控制模式，实现控制系统设计目标

在无人船驱动系统设计中，建议优化无人船控制模式，以合理控制模式实现控制目标，提升控制系统运行可靠性与有效性，进一步提升无人船的应用性能。技术人员可以接软件平台功能，引进经典的 PID 控制手段，灵活利用 AC 库中的多种不同控制模式，分别完成控制数据频率、控制手段、参数变量、位置矢量的细化设计，从而提高响应速度，满足当前需求，技术人员可以利用 P 控制器转换角度误差为旋转速率，之后将旋转速率转换为点击命令，以此实现对无人船的姿态控制，满足无人船的自动化、智能化控制需求。

三、结语

综上所述，在无人船控制系统设计过程中，技术人员借助无人船体软硬件设计平台进行设计，分别从各个子系统入手，改善航向控制算法，提升航线的贴合效果；同时能够强化传感器之间的通讯传输效果，完善无人船的各种检测、跟踪与监控功能。为了更好的实现无人船控制系统设计目标，技术人员要结合实际情况合理选择处理器设备，以此强化下位机控制中心；之后要灵活利用各种元器件，重点设计下位机功能，引进上位机管理软件，细化控制模式设计，更好的实现无人船控制系统的设计目标，提升无人船整体应用性能。

参考文献

[1] 晁鹤 , 郑恩让 . 基于 STM32 的无人船控制系统设计与实现 [J].计算机测量与控制 ,2019,27(10):129-133.

[2] 孙庆业 , 黄涛 , 方青 , 李博 . 一种远距离遥控监测及采样的无人船控制系统 [P]. 安徽省 :CN110632924A,2019-12-31.