叶晓明，游少杰，刘 祥，王泉斌，李伟光，高翰林
(1. 华中科技大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430074；
2. 中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064)
水面无人艇（unmanned surface vehicle，USV）是一种以自主方式在水面航行的无人化、智能化作业平台，通过搭载多种传感器可实现中远距离的无人作业。无人艇具有体积小、机动性强等特点，被广泛应用于水面救援、反鱼雷、反潜战等多个领域[1–4]。
随着无人艇应用领域越来越广，对无人艇收放装置研制的需求越来越高[5]。目前，无人艇的收放主要依靠人工操作，方法包括吊放式、坞舱式和尾滑道式3 种。
吊放式布放相对比较简单，但在回收时由于海上风浪的影响，无人艇与母舰难以保持相对静止，存在无人艇着钩难的问题。而在起吊过程中，无人艇与母舰不可避免会发生碰撞造成一定的损伤[6–8]。坞舱式布放和回收都比较简便，但对于母舰结构破坏较大，对母舰结构要求较高。尾滑道式的优点在于不对母舰结构造成破坏且尾滑道结构简单，受水面状况影响较小，回收布放都比较稳定、高效，存在的问题主要在于无人艇尾滑道冲坡时的对中和控制等较为困难。对比上述3 种人工回收方法，尾滑道式收放技术在母船船体结构要求、水面状况适应能力、收放效率等方面的综合性能最适用于无人艇快速自主收放。
本文以某型7.6 m 柴油动力小艇为研究对象，通过无人化改造，研制并搭建基于尾滑道的无人艇自主引导回收系统。在此基础上，对各功能模块和改造后无人艇性能进行测试，并进一步开展无人艇自主引导回收模拟试验，验证无人艇自主引导回收方案的可行性。
无人艇是包含有多种功能的智能控制系统[9–10]，涉及到通信、导航、控制等多个学科。根据无人艇自主引导回收的需求，设计无人艇自主引导回收系统，原理如图1 所示。系统包括无人艇端自动控制模块（下位机）和母船端监控引导模块（上位机）。在自主引导回收过程中，无人艇端自动控制模块负责将实时的无人艇相对位置、航速、航向以及视频图像等信息传回母船端。同时，根据母船端的指令，控制柴油机、翻斗和喷泵，实时调节无人艇的航速和航向，完成无人艇的引导回收。母船端监控引导模块根据无人艇端传回的图像及实时数据判断无人艇所处状况，通过人工智能算法引导无人艇更好地完成自主回收。
图1 无人艇自主引导回收系统设计原理图Fig. 1 Schematic diagram of autonomous guidance and recovery system for USV
无人艇端自动控制模块（下位机）主要由艇端控制器、导航定位系统、动力控制系统、通信系统、电源系统等五大子模块组成。艇端控制器通过导航定位系统的GPS 和视觉模块获取无人艇相对位置及姿态等信息。通过动力控制系统控制柴油机油门大小、翻斗开度和喷泵出水口角度调整无人艇的航速与航向。通过通信系统的数传电台与上位机按照自定义的通信协议进行实时数据信息传输，通过艇端视觉模块与上位机进行图像信息传输。电源系统则负责艇端各子模块的稳定可靠供电。
母船端监控引导模块（上位机）以母船端工控机为核心，搭载了遥控手柄模块、数传电台、母船端视觉模块、GPS 模块、电子罗盘和尾滑道挂钩信息采集模块等六大子模块。母船端工控机通过数传电台及母船端视觉模块接收无人艇相对位置、姿态及图像等信息，将无人艇的实时状态显示在监控软件上。同时，采集母船端GPS、电子罗盘的位置、航向信息，完成无人艇回收路径的动态规划，并通过数传电台将母船的信息及相关控制指令发送给无人艇端自动控制模块，引导无人艇更好地完成自主回收。
2.1 无人艇端自动控制模块
2.1.1 艇端控制器
艇端控制器是无人艇端自动控制模块的核心，需要从导航定位系统中获取无人艇的相对位置及姿态等信息；
通过通信系统与母船端系统建立实时通信；
通过对动力控制系统发动指令，控制柴油机油门大小、翻斗开度和喷泵出水口角度，调整无人艇的航行状态。因此，艇端控制器需要有足够的通信、控制接口来完成上述功能。此外，艇端控制器也是自主引导回收算法的载体，需要完成回收引导路径跟踪制导、航向航速控制等算法的计算，要求具有一定的计算能力。
2.1.2 导航定位系统
在无人艇自主引导回收过程中，结合GPS 及视觉导航定位的优缺点，将整个回收区域分为远程GPS 引导回收区和近程视觉引导回收区。
在远程引导回收区域，通过GPS-RTK 技术采集无人艇相对位置、姿态等信息；
通过路径规划，实现无人艇的自主导航。GPS-RTK 系统由基准站和移动站组成，在自主引导回收系统中母船端作为基准站，无人艇端作为移动站。母船端接收机和无人艇端接收机同时接收同一卫星发射的GPS 信号，将母船端获得的GPS 值与此处的位置信息进行比较，便可得到一个差分更正数据，将该数据传递给无人艇端进行差分运算，从而得到无人艇精确的实时位置、角度等信息。
在近程回收区域，通过视觉模块获取无人艇实时状态信息。视觉模块采用类似于飞机光学辅助着陆的思想，在母船端和无人艇端分别安装指示灯。通过双方互看的机制，利用小孔成像的原理，将无人艇与母船的相对位置、姿态信息转换为距离D、航向角 ψ和方位角θ，如图2 所示。
图2 无人艇自动回收相对坐标示意图Fig. 2 Schematic diagram of relative coordinates for autonomous guidance and recovery of USV
视觉导航定位系统主要分为母船端视觉模块和无人艇端视觉模块组成。在母船端和无人艇端视觉模块中都以微型处理器为核心，采集搭载在云台上的GoPro 场景相机和工业相机的实时数据，通过数传电台和图传模块实现无人艇相对位置、姿态及图像信息传输。经试验测试，视觉导航定位系统的测距平均误差为0.15%，最大角度误差为1.5°。
2.1.3 动力控制系统
为满足尾滑道回收的要求，选用一艘柴油动力艇，艇体采用深V 折角型，主要参数如表1 所示。
表1 无人艇主要参数表Tab. 1 Main parameters of USV
小艇采用喷水推进系统[11]，柴油机输出轴通过万向轴与喷水推进器相连，为其提供动力。操舵舵柄连接的液压装置可以控制翻斗的开度及喷泵出水口角度，在转速不变的情况下，可轻松实现无人艇的倒车和转向等功能。
无人艇动力控制系统，主要是针对柴油机油门大小、翻斗开度及喷泵出水口角度3 个对象进行控制，从而实现无人艇航向和航速的控制。利用软轴将2 个电推杆分别与发动机油门拉杆、翻斗操作舵柄进行连接，采用位移式拉杆对发动机油门和翻斗开度进行控制。
在对喷泵出水口角度进行控制时，采用液压泵正反转的方法。在喷水推进器液压系统中安装可以正反转的电动液压泵，同时在液压推杆的一侧安装舵角传感器实现喷泵出水口角度的实时测量，配合完成无人艇舵角的实时调节。
2.1.4 通信系统
通信系统主要用于无人艇与母船端系统实时通信。在自主引导回收过程中，无人艇端需要通过通信系统获取母船端的操作指令和实时状态信息。同时，无人艇端也要向母船端回传实时的状态信息，便于母船端更好地监控与引导无人艇实时回收状态。无人艇端的通信系统主要由数传电台组成，工作在2.4 GHz频段，有TTL 电平数传接口和RS232 接口，可同时实现数字信号的高速无线透传，最大传输距离可达5 km。
2.1.5 电源系统
电源系统负责为无人艇各子模块设备供电，主要分为控制电路和无人艇操作台电路两大部分，供电需求有24 V，12 V，5 V。在无人艇上安装2 块6-CQW-100 蓄电池作为电源，负责柴油机启动、操作台设备及控制系统设备等的供电。由于无人艇搭载了柴油机、喷泵等动力设备，当柴油机启停时，在控制电路中会有大电流产生，容易造成电源电压的波动。而对于控制电路来说，电压较大的波动会影响设备的正常工作。因此，在控制电路供电部分，分别采用了隔离稳压电源模块，保证供给电子设备的电源电压保持稳定，在驾驶舱附近设置有电源总开关，经过24 V 隔离稳压电源模块后供给发动机、翻斗控制器、电动液压泵。
2.2 母船端监控引导模块
2.2.1 无人艇引导回收中控台
母船端监控引导模块（上位机）负责无人艇实时状态的监测、无人艇回收路径实时规划及无人艇引导回收控制指令的发送。
2.2.2 无人艇引导回收中控软件
完成上位机硬件设计后，基于C#软件开发平台编写了无人艇自主引导回收控制软件。无人艇上位机控制界面主要分为信息显示区和按键操作区。信息显示区主要包括：无人艇回收动态轨迹图、母船端视频图像、无人艇端视频图像以及无人艇GPS 航行轨迹图等图像信息的显示。此外，还包括无人艇状态、GPS 惯导信息和图像识别信息等数据的显示。
3.1 系统联调
为验证所开发系统的可行性，在完成小艇的无人化改造后，开展无人艇自主引导回收系统的联调试验。首先对柴油机转速、翻斗开度及舵角角度的控制模型进行标定试验。将无人艇启动，开到开阔的水面，分别输入10 组不同的模拟控制量，然后记录各控制量下发动机转速、翻斗开度以及喷泵出水口角度的值。最终，可获得控制量与发动机转速、翻斗开度以及舵角之间的关系曲线，如图3 所示。
图3 控制量关系曲线图Fig. 3 Control quantity relationship curve
在此基础上，在湖面上开展无人艇自主引导回收系统的联调试验，主要包括：上下位机通信、导航定位、遥控以及手/自动模式切换等性能测试。试验测试结果表明，该无人艇自主引导回收系统运行正常，具有较好的响应性与稳定性。
3.2 无人艇回转性能试验
为了进一步测试无人艇的操控性能，在完成系统联调试验后，在湖面开展了无人艇回转性能试验。将无人艇远程启动，各系统正常初始化后，将无人艇开至开阔湖面。将无人艇控制模式切换为自动控制模式，将翻斗设定为全开状态，设定不同的舵角值，分别给定不同的油门行程，测试无人艇在不同航速下的回转轨迹。其中，在舵角为20°时不同航速下无人艇回转轨迹如图4 所示。
图4 不同转速下回转轨迹图Fig. 4 Rotation trajectory diagram at different speeds
可以看出，改造后的无人艇在低速、中速、高速下都具有相对较好的回转特性。不同航速下无人艇回转曲线偏差的最大值及均方根值如表2 所示。数据可知，改造后的无人艇在中、高速时回转特性较好，相对误差可控制在10%之内。
表2 不同航速下的回转误差分析表Tab. 2 Rotation error analysis table at different speeds
3.3 无人艇速度性能试验
为了测试改造后无人艇的加速性能及速度稳定性，在湖面开展了无人艇速度性能试验。将无人艇远程启动，各系统正常初始化后，将无人艇开至开阔湖面。将无人艇控制模式切换为自动控制模式，将翻斗设定为全开状态，分别设定不同的目标航速，测试无人艇在不同目标航速下的加速响应性及速度稳定性，如图5 所示。
图5 不同目标航速下速度运行性能曲线Fig. 5 Speed operation performance curve at different target speeds
可以看出，改造后的无人艇在不同目标航速下都具有相对较好的响应特性与速度稳定性。不同航速下无人艇的加速性能及航速稳定性分析如表3 所示。可知，无人艇具有较好的响应性与启动加速性能，在10 s之内均可达到目标航速。当目标航速为1.5 m/s 时，无人艇航速最大偏差相对较大，而在其余目标航速下无人艇航速最大偏差均可控制在10%以内。此外，不同目标航速下，无人艇平均航速偏差均可控制在5%以内。上述结果表明，改造后的无人艇具有较好的航速稳定性。
表3 不同目标航速下误差分析表Tab. 3 Deviation analysis table at different target speeds
3.4 无人艇自主引导回收模拟试验
为了验证无人艇自主引导回收性能，在完成系统联调及无人艇性能测试后，开展无人艇自主引导回收模拟试验。
分别从不同的初始位置和航向角开展无人艇引导回收模拟试验。无人艇引导回收轨迹线如图6 所示，相应的航向角变化如图7 所示，无人艇引导回收性能分析如表4 所示。
表4 无人艇湖面自主引导回收试验记录表Tab. 4 Records of the autonomous guidance and recovery of USV
图6 无人艇自主引导回收系统湖面自主引导回收轨迹图Fig. 6 The trajectory of autonomous guidance and recovery of USV
图7 自主引导回收航向角变化曲线图Fig. 7 Change of course angle for autonomous guidance and recovery of USV
从试验结果可知，不同初始位置及航向角，无人艇在引导回收过程中能迅速地与尾滑道中心线对中，并在回收过程中能与尾滑道保持较好的对中性能。在回收过程中，无人艇与两浮标中心点的最大横向偏差为0.69 m，具有较好的控制精度。同时，能够在3 min内顺利地完成自主引导回收，具有较好的回收效率。
本文基于无人艇回收要求，开展基于尾滑道的无人艇自主引导回收系统整体方案的设计及各功能模块的开发，最终完成了一套完整的无人艇自主引导回收系统的研制。通过湖面试验，对系统整体性能进行验证。试验结果表明，系统具有较好的响应性、稳定性及无人艇操控性能，能较好地满足无人艇自主返航及引导回收的要求。
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