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自主船模实时操纵导航控制平台
摘 要
本文介绍了自主水面舰艇（ASV）控制导航平台的研制，该平台是以一定比例所研制的船舶自航模型。整个系统分为硬件结构和软件结构两个部分。系统硬件结构进一步划分为指挥监控单元（CMU）和通信控制单元（CCU）。基于岸上的CMU通信通过无线以太网来控制A S V进行交流；这个系统软件式样主要由几个软件循环系统组成，目的是用于收集传感器数据和控制舵的方向以及驱动螺旋桨。此外，还采用触摸屏作为人机界面（HMI）实现了ASV的自动和手动控制。最后，本文讨论了ASV在未来的实现依据。
关键词：自主水面舰艇；自行式模型；实时导航平台；船舶操纵；智能控制导航；海洋机器人
目 录
第1章 简介 4
第2章 模型描述 5
第3章 硬件结构 6
3.1指挥和监测单元 6
3.2通信和控制单元 7
第4章 软件体系结构 11
4.1人机界面 11
4.2控制子系统 12
第5章 结论 13
参考文献： 14
致 谢 16
第1章 简介
由于计算机技术和导航控制技术的快速发展，自主式和遥控式车辆越来越普遍。一般来说，这类车辆主要分为遥控式和自动式两种，但后者通常也可由人力遥控。这些车辆被设计用于不同的任务，如搜索救援、探雷行动、港口和海岸线监视、侦察、环境监测等。然而，目前正研究实现水面自动舰艇（ASV）航行的特殊应用，其目的是以一种自主导航的方式执行一系列操纵试验。
通过船舶操纵特性可知船舶在操纵过程中允许对其路径进行时间模拟，作为其控制设置的函数（Sutulo等人，2002）。然而，在船舶流体力学发展的现阶段，尽管最近流体力学计算开始替代以往的计算方式，但由于缺乏具体的实验数据，仍然不能建立完善的船舶操纵模拟数学模型。
海事组织（1993，1994，2002）对此提出了严格的要求，要求所有船舶在船上都应具备本船操纵试验的结果及相关数据，这意味着今后船舶操纵试验的需要将大大增加，因此需要一种高效率、低成本的方法来进行操纵试验。对船舶进行全尺寸试验（例如Guedes Soares等人，1999年和2004年）以确认船舶现有的能力，这类实验也可对无需模型数据结果的船舶进行测试。
大多数实验研究的目的是收集模型试验后所产生的的水动力和转船力矩，该测试可以在两种实验设备上进行：循环槽和平面运动机（Brix 1993）。后者最终演变成计算机化的平面运动（CPMC）。这两种设施都很贵，世界上做此实验者相对较少。另一种方法是测试配有自适应舵和推进装置的遥控缩放模型（Luo和Zhang，2007，Philips等人，2009，Moreira和Guedes Soares，2011）。这些实验成本较低，在适当的平静水面上可进行实验以获取高质量的数据结果。
基于有效性，必须对此类自适应试验模型进行适当的检测，以提供试验操作期间所测量的运动参数以及其他高质量的记录。由此记录的数据可用于系统程序识别。有关识别方法在船舶操纵中的应用，请参阅（Sutulo和Guedes Soares，2011）。虽然原则上所有的操纵都可以手动进行遥控，但在某些情况下，手动操纵非常不方便，例如船舶的曲线操纵。因此，一个良好的操纵试验自适应模型必须能够使船舶实现自动操纵，而这正是本文工作的动力所在。本文描述了这样一个模型（这里称为ASV），重点介绍了安装在该模型上的仪表、控制设备和导航设施。
第2章 模型描述
开发的ASV代表了Aurora号油轮的比例自航模型，它提供了所有必要的信息，包括船身线、总布置图以及定距螺旋桨和方向舵的图纸。由于ASV的目的是为了确定船体的操纵特性，因此模型的制造没有上层结构。所有试验都应在静水和良好的天气条件下进行，虽然主要的敏感部分由塑料箱保护，但以防偶尔飞溅，仍应设置覆盖物。
开发的ASV包括图1所示的实时导航平台，该平台是作为Moreira等人发起的智能导航系统（INS）的一部分来进行开发的。比例尺为1:65.7的模型尺寸在表一中得以展示。该模型采用玻璃纤维增强聚酯和胶合板碎片制成。由于设计简单，螺旋桨推进器和方向舵是作为全尺寸原稿设计者的geosims制造的。由于缩放模型的阻力系数较高，并且需要更大的扭矩和功率，而重新设计的螺旋桨降低了螺距比。在研究导向型模型的情况下，不会出现重大问题，且功率由更大的电动机进行补偿。模型的最大在册速度为1.03m/s，甚至比满标度设计速度15.5kn对应的0.983m/s还要高。
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总长度（m） |
2.590 |
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垂向高度（m） |
2.450 |
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宽度（m） |
0.430 |
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深度（m） |
0.198 |
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吃水（m） |
0.145 |
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排水量（msup3;） |
0.1156 |
表2.1 模型的主要细节
所开发的ASV由实时导航平台控制，实时导航平台分为硬件结构和软件结构两部分，在接下来的章节中将进一步讨论。
第3章 硬件结构
硬件结构由实时导航平台中所使用的传感器和执行器组成，进一步划分为两个单元：指挥监控单元（CMU）和通信控制单元（CCU）。这两个单元将在以下章节中进一步描述。
图3.1 自主水面舰艇
3.1指挥和监测单元
CMU的主要目的是通过人机界面（HMI）实现ASV的手动和自动控制。CMU主要由几个仪表组成：触摸屏、GPS单元、工业Wi-Fi单元、主交流电源单元、直流电源单元。岸上CMU结构如图2所示。
图3.2 CMU指挥监测单元
人机界面采用TPC-2512触摸屏，与工业Wi-Fi单元相连，与CCU实现通讯。该装置由带有512MB同步动态随机存取记忆体的500MHZ处理器和嵌入式Windows XP操作系统组成。12英寸触摸屏用作ASV的数据显示单元和自动或手动控制单元。Novertel FlexPak G2 GPS单元用于CMU中ASV的位置估计。船载GPS单元包括GNSS（全球导航卫星系统）天线，用于接收和转换GNSS卫星发送的电磁信号。
此外，完整的RTK-GPS系统由两个单元组成：基站（岸上）和漫游站（船上），大大提高了位置估计的精度。基站GPS单元作为一个固定基准，为位于ASV中的rover GPS站发送已知的固定位置校正信号。ELPRO 240-E工业Wi-Fi（无线以太网）单元用于岸上的CMU和C C U之间的通信。接通4g H z序列扩频（DSSS）无线接收器和100mw功率射频（RF）发射器，无线数据传输速率可达11Mb/s，该系统的网络拓扑结构为：岸上CMU单元为“接入点”，车载CCU为“客户端”。岸基“接入点”单元充当CMU的主单元。船上单元充当CMU的从动单元。此外，两个单元通过工业以太网交换机配置成桥型以太网局域网（LAN）。该装置包括一个无线电天线，可在1公里范围内操作。
APC智能UPS SUA2200（RT 2200VA，230V）不间断电源（UPS）塔式装置与2200VA（1540W）的功率容量和标称输入相关CMU的总功率要求采用230V的输出电压。然而，CMU中的所有单元都由UPS单元供电，并且由NI PS-17直流电源补充。直流电源装置由86～276V交流电的输入和24～28V（20A）直流电的输出组成。
3.2通信和控制单元
CCM在图3所示的模型上实现。CCM的主要目标是实现与ASV航向和速度之间的实时控制。CCM由以下仪表组成：CompactRIO单元、工业以太网交换机、触摸屏、GPS单元、惯性测量系统（IMS）、工业Wifi单元、带编码器的直流电机、位置传感器、光纤陀螺罗盘（FOG）、电池和保险丝单元。CCM在图3所示的模型上实现。
CCU由两个带有独立（NI）CompactRIOs仪器的数据采集系统（DAQ）组成：CompactRIO 9074和CompactRIO 9004。这些装置由船载电池通过保险丝单元供电。CompactRIO是一个集成的DAQ系统，它将实时处理器与可重构编程门阵列（FPGA）相结合。这有助于在单个单元中交换I/O连接器，以便使用自定义输入/输出（I/O）定时进行数字数据采集。FPGA是一种高性能芯片，可以通过VHDL软件平台进行重新配置，同时是一种用于电子设计自动化的硬件描述语言，可用于模拟和数字传感器、执行器和DAQs中的定制定时、触发、同步、控制和信号处理。
CompactRIO 9074单元由一个400兆赫工业实时处理器和一个2兆门的现场可编程门阵列（FPGA）组成，有8个插槽用于NI C系列I/O模块，工作电源为19至30伏直流电。该系统还包括128 MB的DRAM（用于嵌入式操作）和256 MB的非易失性存储器（用于数据记录）。CompactRIO 9004由一个195 MHz工业实时处理器组成，具有64 MB的DRAM内存和512 MB的非易失性压缩闪存，可用于数据记录。此外，它有8个插槽，用于NI C系列I/O模块，工作电源为9到35VDC。
图3.3 通信与控制单元
两个单元都由两个10/100mb/s以太网端口和一个RS-232串行端口组成，可通过网络或个人计算机进行编程通信。在本研究中，我们使用网路通讯的方法来处理CompactRIOs。此外，两个单元都由电池单元通过保险丝单元供电。CompactRIO 9074单元与IMU和GPS单元相连。CompactRIO 9004装置与方向舵和螺旋桨子系统相连（见图3）。两个单元都通过来IES连接以进行网络通信。
CompactRIO单元的一般结构与传感器、执行器和触摸屏单元相连，如图4所示。CompactRIO单元由各种连接适配器组成，这些适配器也可以标识为I/O模块。I/O模块包括信号衰减和过滤设施以及数字化仪和隔离设施，以便更好地进行传感器测量和执行器控制。CompactRIO单元由一个可重构的FPGA平台组成，该平台有助于在I/O定时和信号处理方面进行低级定制，以便通过高速PCI总线与实时处理器进行通信。实时导航平台采用的I/O模式有：NI 9505、NI 9870、NI 9802、NI 9263和NI 9239。
图3.4 CompactRIO结构
NI 9505是一个全H桥直流驱动模块。两个NI 9505模块被用于控制舵和螺旋桨驱动子系统，这些子系统与两个直流电机相关。NI 9505模块包括从直流电机读取的正交编码器的输入、电源电压和直流电机控制的输出（即电流或扭矩）。编码器信号已用于螺旋桨子系统的速度控制回路和舵系统的位置控制回路。NI 9505模块可以产生用于控制舵和螺旋桨驱动子系统的脉冲宽度调制（PWM）信号。该方法还可以根据舵机和螺旋桨控制系统的要求改变电机的旋转方向。
NI9870是一个4端口RS-232串行接口模块，用于从IMS和GPS单元收集数字数据。该模块由四个RJ-50插座组成，为四个RS-232串行端口提供连接。该模块包括一个外部电源的附加输入，该外部电源为RS-232收发器提供约plusmn;8V的电源。NI 9802是一个安全的数字可移动存储模块，用于存储从IMS和GPS单元收集的数据。该模块由两个安全数字（SD）卡插槽组成，该插槽由两个2GB卡组成。NI 9263是一个4通道16位，plusmn;10 V模拟输出模块，为与方向舵相关的位置传感器提供输入电压。NI9239是一个4通道、24位模拟输入模块，用于从位置传感器收集数据。通过位置传感器和直流电机编码器两个传感器对舵的位置进行观测，提高了位置精度。
在CCU中，NI UES-3880工业以太网交换机被用作传感器、执行器和DAQ之间的通信网关，这些传感器、执行器和DAQ由船载电池单元通过保险丝单元供电。以太网交换机是8端口非托管标准以太网网络协议的入门级交换机。它还包括一个24伏直流电的工作范围，由船载电池单元通过保险丝单元提供支持。另一个NI TPC-2512触摸面板用作HMI，该HMI与以太网开关连接，以观察ASV中的传感器和执行器情况，该ASV也由电池单元通过保险丝单元供电。另一个Novertel FlexPak G2船载GPS装置用于CCU，以实现定时备份。该单元由一个G N S天单元线和一个RS-232端口组成，并通过NI 9870模块与CompactRIO单元相连接。
十字弓型NAV440 IMU可用于CCU，CCU由船载电池单元通过保险丝单元供电。IMU由以下传感器组成：磁强计、加速度计、速率陀螺、GPS接收机。磁强计能够测量航向、旋转和俯仰的三轴角。速率陀螺能够测量航向、旋转和俯仰的三轴角速度。加速度计能够测量三轴线性加速度的波动、摇摆和起伏。广域增强系统（WAAS）的能力促进了在IMU内部的GPS信号接收可用于测量ASV的位置。利用多状态可配置扩展卡尔曼滤波器（EKF）估计传感器的偏差值，并对漂移误差进行校正。利用高速a/D转换器和数字信号处理器（DSP）配合一组可编程FIR滤波器对传感器数据进行了观测。最后，导航数据的处理器输出通过RS-232端口收集，该端口通过NI 987
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