0 引　言

水面无人艇（unmanned surface vehicle，USV）是一种可在水面自主航行和智能作业的水面舰艇，随着传感器技术和人工智能的不断进步，无人艇的广泛应用将会使未来的海洋运输更加安全、高效和便捷^[1-2]。近年来，无人艇的相关技术日趋成熟，其控制是无人艇智能化的基础和核心，也是保障无人艇航行安全和执行任务的关键，也代表着无人艇智能化水平的高低。因此灵活自主、稳定可靠的控制系统是研究无人艇的重要方向^[3]。

阚亚雄等^[4]设计开发了一种小型无人集成控制系统，实现艇上各传感器的数据采集与通信功能，下达和反馈运动控制指令的功能，能在一定外界干扰下跟踪运动控制中的期望目标。Jian等^[5]提出了一个新的船舶运动控制平台，可以实现船舶姿态监测和各种运动控制实验，并将船舶运动参数和控制参数嵌入到船舶运动模型中，成功解决了线性或非线性动力学的船舶运动控制实验的精确控制问题。彭潜^[6]通过引入电子海图，解决了普通地图在海洋区域信息缺失的问题，使无人艇获得静态已知的海上风险，提升无人艇的安全性。闫勋等^[7]针对Pixhawk开源项目的特点，开发一款基于开源飞控的无人艇平台，通过相关的实船试验，验证了所开发无人艇平台的可行性和有效性。Manley ^[8]使用现成的组件和电子系统快速和廉价地开发了2个小型且易于部署的无人艇测试平台系统，用于海洋研究。通过试验测试验证了无人艇的速度，推力和稳定性等性能，最终表现较好。

国外关于无人艇的避碰也有一些相关研究，Song等 ^[9]提出了一个基于LiDAR传感器的模糊控制的防撞系统，以便在动态环境中安全航行，通过模拟仿真有效地验证了无人艇的避障性能。Caccia 等^[10]在Sesamo号的水面无人艇上应用了基于视线(1ine-of-sight，LOS)的路径规划算法。Naeem 等^[11]采用预测控制思想，将遗传算法应用于无人艇上进行障碍物的规避。

由于大部分无人艇的功能较少，缺少航海雷达和GPS 等信息。为此，本文设计一种无人艇的控制器，为无人艇配备航海雷达和GPS设备，将各种通信与控制设备组合在一起形成无人艇的控制器。在VS2017环境下编写无人艇的控制程序，实现对无人艇的控制并具备数据采集功能。然后进行室内拖曳水池试验，验证控制器和程序的有效性。最后进行湖试，根据雷达图像进行避碰，显示无人艇的运动轨迹。

1 无人艇试验平台搭建 1.1 艇体结构

无人艇为一艘双体艇，艇长3 m，型宽1.4 m，型深0.4 m，设计吃水0.3 m，设计航速6 km/h。无人艇控制器布置在左侧的艇体上，艇尾部两片体中间位置安装螺旋桨及舵机。

1.2 无人艇供电系统

为了使无人艇具有较长的续航力，采用电能、太阳能混合动力，布置1块锂电池和4块轻质灵活的太阳能板。锂电池输出功率满足艇上设备的用电需求和无人艇的正常航行，在阳光充足时，太阳能板产生的电量足够同时给锂电池进行充电和对无人艇进行供电；在阳光不足时，则由锂电池给无人艇供电。

1.3 雷达及GPS设备

安装的航海雷达为Broadband 3G雷达，该雷达采用调频连续波技术，雷达发射器频率为x波段，最大测量范围可达24 n mile，并可短时间内开机，相比于传统雷达开机时需经预热等待，该雷达在实际使用中更具优势。雷达的安装位置为距艇首0.65 m，高于无人艇甲板1.42 m的钢架上，此安装位置完全符合雷达探测的要求。

2 无人艇控制器设计 2.1 通信协议

无人艇控制器与岸站之间依靠无线数传电台（简称：数传电台）进行通信，该数传电台采用Modbus协议通信，通信距离达6 km，具有RS-232和RS-485接口，有很强的抗干扰性和很高的稳定性。

2.2 控制器主要设备

无人艇的控制器由各个单独的模块组成一个整体系统，并使用Modbus协议与岸站进行通信。系统内包含数传电台，模拟量转换器，十六路继电器控制器，直流电机调速器，温湿度传感器，WFR09S接收机，电调舵机。将这些模块使用导线互相连接，即组成无人艇控制系统，各模块的功能及参数如表1所示。

该控制器有2种操控模式：1）电脑端软件控制；2）手柄遥控控制。岸站通过数传电台向控制器发送相应的指令，即可通过十六路继电器控制卡切换2种操控模式。

2.3 舵机及螺旋桨

螺旋桨推进、喷水推进是现阶段无人艇所采取的主流推进方式。喷水推进在军事领域运用较多，因为喷水推进会为高速前进的船舶提供优异的推进效率和操纵性能^[12]。而低速行驶的船舶更适用于螺旋桨推进，因为低速时使用螺旋桨相对于喷水来说效率更高，同时成本也低很多，考虑到无人艇体积和具体的工作限定，采用螺旋桨电力推进。

3 无人艇航行控制程序

通过串口通信程序调试好各模块的功能后在Visual Studio 2017环境下进行编程，编写无人艇的控制程序。

程序界面包括以下功能：

串口设置：串口号、波特率、数据位、校验位、停止位等，可以搜索电脑端的串口，将其打开，并将这个串口的相应配置进行保存。

无人艇控制：设置2个可拖动的控件，可控制无人艇舵角及螺旋桨转速，在串口处于打开状态时，左右拖动舵角控件即可发送对应舵角下的指令，舵角的范围为左舵40°到右舵40°。上下拖动转速控件时，即向无人艇的模拟量转换器发送模拟量电压来调节电机对螺旋桨的输出电压，控制螺旋桨转速。同时设置手柄控制和电脑控制按钮，由于启动无人艇的电源时默认为电脑操控模式，通过启动手柄控制按钮就可以切换到手柄遥控模式。

地图：根据采集的GPS数据在地图上显示无人艇的运行轨迹。

信息获取：动态获取无人艇的定位信息，以及无人艇上的温湿度信息。

通信设置：包括发送设置和接受设置。发送设置用于向无人艇进行通信，可以选择发送数据的类型，设置自动发送功能；接收设置可选择接收数据的类型，RS-485通信功能，清空接收区的数据功能。

4 无人艇试验

在湖中进行无人艇的障碍物避碰试验。雷达探测无人艇周围的障碍物，岸站根据障碍物的信息通过数传电台向无人艇发送相应的指令，控制无人艇进行避让，采集的GPS数据在地图上显示无人艇的运动轨迹。

4.1 无人艇与岸边避碰

首先控制无人艇沿湖边航行，雷达不断探测周围的障碍物信息，根据雷达图像不断调整无人艇的航行轨迹。初始航行时，无人艇与岸边平行，雷达扫描的图像如图1所示。

可知，大部分障碍物在无人艇的后方及右侧，因此无人艇此时应与岸边平行航行，避免采取向右转舵，保持障碍物在无人艇的右侧以及后方。当无人艇航行至距前方岸边较近的距离时，雷达图像如图2(a)所示。

这时无人艇距离前方和右侧的岸壁很近，可以看到此时障碍物位于无人艇的前方及右侧，左侧为宽阔水域，因此为避免无人艇与前方岸壁碰撞，无人艇应该向左转向90°。转向后的无人艇雷达图像如图2(b)所示。

根据图1和图2可知，无人艇在与岸边平行航行过程中，雷达能扫描到岸边的障碍物，岸站能操控无人艇采取避让措施。

4.2 无人艇与静态障碍物避碰

在水域中航行时，无人艇除了需要与岸边避碰之外，还需要对航行中的静态障碍物进行有效地规避，防止碰撞。岸站在操控无人艇和采集GPS数据时，注意周围是否存在危险的障碍物，并根据雷达图像采取合理的行进路线。

根据现场的水域环境以及雷达图像可知，雷达图像中左侧的障碍物为岸边，右前方的障碍物为湖中的岛，右侧和后方为宽阔水域。岛与岸边之间的距离较为宽阔，有一条路径可以足够无人艇通过，因此控制无人艇向左转向从两障碍物之间穿过。

当无人艇航行过程中遇到静态障碍物时，雷达首先扫描到障碍物的图像，岸站根据现场环境及无人艇的行进轨迹判断出无人艇可采取向左转向的避让操作。转向避让后通过无人艇的GPS信息所绘制的轨迹，以及雷达扫描的图像判断出无人艇已有效的避开障碍物，在转向避让障碍物后，可以继续向前航行。

4.3 无人艇温湿度信息

在无人艇航行过程中，可在获取信息界面采集无人艇控制箱内的温湿度信息，在软件的发送设置中每隔1 h自动向无人艇控制箱内的温湿度传感器发送问询帧，根据无人艇返回的应答帧，绘制出无人艇一天试验中控制箱内的温湿度信息变化，如图3所示。

可以看到，从启动无人艇电源开始试验，无人艇主控制箱中的温度不断上升，最高为45.6℃，中午休息时温度有所下降，下午开始试验后，控制箱中温度又再次升高，而控制箱中的湿度从上午试验开始至下午试验结束呈不断下降趋势。

5 结　语

本文搭建无人艇试验平台，设计无人艇控制器，实现远程遥控及电脑操控无人艇。通过室内水池试验，验证控制软件和无人艇控制器有效性的基础上进行了湖试。在湖试过程中，无人艇能按照雷达图像实现与岸边的避碰和与静态障碍物之间的避碰，在软件界面上还能根据采集的GPS信息绘出无人艇的运动轨迹，并能通过软件监控试验中无人艇控制箱内的温湿度信息。初步完成了对无人艇的控制和信息采集，使无人艇对障碍物实现有效的避碰。