广东造船2021年第1期（总第176期）
48作者简介：张桂军（1977-）男，工程师。主要从事船舶电气建造与修理工程工作 。
冯 凯（1987-）男，工程师。主要从事船舶与海洋工程电气设计工作。 收稿日期：2020-11-26
张桂军1，冯 凯2，吕锦钊2，陈文林2
（1.广州华南船舶修造厂，广州510715；2.广州船舶及海洋工程设计研究院，广州510250）摘 要：本文研究了无人船控制系统的硬件及软件设计，给出了硬件系统的组成结构，提出了软件设计的流程，并进行了无人船控制系统的软件开发。控制系统硬件平台以PC104为核心，主要组件有控制器、通讯模块、各种传感器等；软件平台则是在DOS系统的基础上进行开发；最后进行了无人船的实船试验，结果表明，该控制系统能实现对无人船的有效控制。
关键词：无人船；控制系统；实船试验
中图分类号：U666.1 文献标识码：A
Acontrol System of Unmanned Ship
ZHANG Guijun1, FENG Kai2, LV Jinzhao2, CHEN Wenlin2
( 1.Guangzhou South China Shipyard, Guangzhou 510715; 2.Guangzhou Marine Engineering Corporation, Guangzhou 510250 ) Abstract: This paper studies the control system of the unmanned ship, introduces the structure of the hardware system, puts forward the procedure of software design and develops the software of the control system. PC104 is the core of the hardware platform, the main components are controller, communication module, various sensors and so on, and the software platform is developed on the basis of DOS system. Finally, the real ship test of unmanned ship is carried out. The test results show that the control system can effectively control the unmanned ship.
Key words: Unmanned ship; Control system; Real ship test
1 前言
随着海洋开发的逐步深入，人们对无人船的认识
和需求都在不断加强。无人船是一种具有自主航行能
力，可自主实现环境感知、目标探测等任务的智能化
水面机器人[1-2]。无人船在军事领域已经得到了实际应
用，“斯巴达侦查兵”等无人船已正式加入美国作战
部队序列，开始接受战争的考验。无人船已被公认是
未来战争中争夺信息优势、实施精确打击、完成特殊
作战任务的重要手段之一，在未来信息化的战场中将
发挥重要作用。此外，无人船在恶劣海况下搜救、海
底地形探测等方面也有着巨大的实用价值，可代替人
们在水面完成危险、繁重的任务，因此无人船受到越
来越广泛的关注[3]。
无人船正由半自动化逐渐向智能化发展[4]。我国
的无人船控制技术还有很大的提升空间，许多关键领
域的难题还有待攻克[5]，其控制系统的性能优劣将直
接影响到无人船的功能能否顺利实现。本文在已有的
船模和推进器的基础上，设计了一套无人船的控制系
统，初步实现了无人船控制系统的顺利运行。
2 无人船控制系统简介
2.1 控制系统的组成
无人船的控制系统分为岸基控制平台和船载控制
系统两部分：船载控制系统以PC104为硬件平台，软
件平台则是采用DOS系统。主要硬件组件，由控制器、
GPS接收机、姿态传感器、无线串口通讯模块以及推
力电机等组成；岸基控制平台，则是以PC为硬件平台，
以VisualC++为开发控制界面。
2.2 控制过程
无人船的控制过程分为两个阶段：第一阶段是系
GUANGDONG SHIPBUILDING 广东造船2021年第1期（总第176期） 设计与研究
49
统初始化，装载任务参数；第二阶段则是任务执行阶段。在初始化阶段，岸基控制平台设定相关的航行任务及控制参数，参数装载完成后由岸基控制平台发送相关指令；船载控制系统接收到航行指令及参数后，控制器解算控制指令，随即进入任务执行阶段。
船载控制系统开始周期性地采集GPS 以及姿态传感器的相关信息，并上传至船载控制系统对相关信息进行处理；然后将处理得到的速度、位置、姿态等信息传送至控制器；控制器将接收到的航行信息输入到
航行任务的控制算法中，控制系统完成控制参数的解
算后将新的控制参数发送至船载控制系统，船载控制系统根据接收到的最新控制指令控制无人船的运行；上述过程在无人船执行任务的运行过程中不断循环，并保持到航行任务结束或者接收到岸基控制平台的停止运行的指令为止。无人船控制系统的组成图，如图1所示。
图1 无人船控制系统示意图
3 无人船控制系统硬件设计
3.1 船载控制系统硬件设计
根据试验项目的不同，船载控制系统的硬件可进行适当的增减。本文研究的无人船旨在搭建一个实验平台，初步进行无人船航向及速度的控制。系统的硬
件设备主要包括：PC104工控机、姿态传感器、GPS 接收机、无线串口通讯模块以及电机控制模块等，其硬件结构原理图如图2所示。
（1）PC104工控机，主要由下列几部分组成：
CPU
个串口，选择其中的1息；数据采集模块选其中的一个I/O 图2 船载控制系统硬件结构示意图
（2）GPS 主要是为船载控制系统提供船的实时经度、速度、纬度等信息，其自主定位精度不小于1m；
（3）姿态传感器，实际是一个微型的测量航向和
王寿亭
姿态的系统，它由磁力计和加速度计组成。磁力计能够测出船只航行的方向；加速度计能够测出与重力的夹角，从而计算出船只的姿态。
传感器内置的处理器，功耗极低，航向角输出值
没有漂移，同时提供的角速度、三轴加速度以及磁场强度等都经过内部校准，它为船载控制系统实时提供
船的航向角、俯仰角、横滚角等姿态信息；
（4）无线通讯模块，使用Lora 无线通信技术，
通信距离远、误码率低、可靠性高，负责岸基控制平
台与船载控制系统之间的信息传输，同时将无人船的速度、经纬度、姿态等信息反馈给岸基控制平台，以
便于岸基控制平台对无人船的实时航行状态进行监控；（5）电机控制模块用于驱动直流电机，CPU 输出数字信号，经过数模转换后变成一个电压信号，通过
调节电压的大小来调节电机的转速。电机控制模块左右各一个，用于调节航速和航向；（6）信号隔离器，负责将工控机和电机进行隔离，避免两者共地，这样电机所产生的干扰信号不会通过
地线传导到控制系统，增加了系统的可靠性。
3.2 岸基控制平台硬件设计岸基控制平台的硬件设备，主要由PC 机和无线通讯模块两部分组成：PC 机主要用于运行无人船的控制软件，将控制信息通过专用无线通讯模块发送至船1
无人船控制系统示意图
图2船载控制系统硬件结构示意图图3船载控制系统软件流程图
12
l r F F k F k =+12
()l r F N F k F k l =−00
p i F
N
21
()
2p i
r k k F C k l −+−
=
−
∫
p
k 0
)
i k l
−
+−
∫
00
12i k k l
−+−
倾听文字的声音
∫
1无人船控制系统示意图2船载控制系统硬件结构示意图
图3船载控制系统软件流程图0
20
40
60
80
100
t(s)
(°)
12
l r F F k F k =+1
2
12
()l r l r F F k F k N F k F k l
=+=−()()00p i F C
N k k ψψψψ==−+−∫
()()002
1()2p i r k k F C k l
−+−=−∫
p k
()()0021
()2p i r k k F C k
l −+−=−∫()()20011222p i l k l k k C F k k l
−+−=+∫
50的初始化；开始航行后，分别读取由GPS提供的无人
船的速度、经度、纬度及由姿态传感器提供的偏航角、
俯仰角、横滚角等信息。根据岸基控制平台设定的航
行任务，船载控制系统根据本船实时航行状态给出新
的控制指令，通过采集板输出电机控制D/A和I/O信
号来驱动无人船的航行，船载控制系统将最新的航行
状态信息发送至岸基控制平台，便于岸上人员及时了
解无人船的运行状况；同时，船载控制系统根据无人
船新的航行信息进行控制算法的解算，再给出新的航
行指令，此过程一直循环到任务结束或者岸基平台发
出新指令为止。
船载控制系统软件流程图，如图3所示。
紧急情况时，岸基控制平台还应具备一项停止无人船
运动的功能。
5 实船试验主要参数及解算
为了验证无人船的航向控制性能，对无人船进行
航向角跟踪控制试验。无人船在船尾安装两个电动螺
旋桨推进器，两个尾部推进器的转速差产生旋转力矩，
其所受旋转力矩以及推进力为：
（1）
（2）
式中：第i个螺旋浆的推力系数用k i（i=1，2）表示；
l为推力作用线至无人船旋转中心的垂直长度；F l、F r
分别为左、右推进器产生的推力。在控制律的设计中，
可以将F l、F r看成为左、右推进器控制信号的电压值。
设计一个航向角ψ0，其跟踪控制律为：
F=C （3）
（4）
式中：C为常值，通常取C=5；k Pψ为比例系数，取
k Pψ=0.1；k iψ为积分系数，取k iψ=0.015；ψ0为设定航向角；
张勃兴
ψ为实际航向角。
由公式（3）~（4）可知：
（5）
（6）
式中：k为螺旋浆推力系数，分别取k i=1、k2=0.95。
页）1无人船控制系统示意图图2船载控制系统硬件结构示意图
12
l r
F F k F k
=+
12
()
l r
F
N F k F k l
=−
00
p i
F
N
00
2
1()
2
p i
r
k k
F C
k l
−+−
=−
∫
p
k
00
2
1()
2
p i
r
k k
F C
k l
−+−
=−
∫
00
p i
k k
C−+−
∫
1无人船控制系统示意图图2船载控制系统硬件结构示意图
图3船载控制系统软件流程图
12
l r
F F k F k
=+
12
()
l r
N F k F k l
=−
00
p i
2
1(
2
p i
r
k k
F C
k l
−+
=−
p
k
2
1(
2
p i
r
k k
F C
k l
−+
=−
11
22
p i
l
k k
C
F
k k l
−+
=+
∫3
N
()
00
p i
1无人船控制系统示意图图2船载控制系统硬件结构示意图
图船载控制系统软件流程图
12
()
l r
F F k F k
N F k F k l
=+
=−
12
12
()
l r
l r
F F k F k
F k F k l
=+
=−
F C
N k k
ψψ
=
=−+
(
00
2
1()
2
p i
r
k k
F C
k l
−+−
=−
∫
p
k
(
00
2
1()
2
p i
r
k k
F C
k l
−+−
=−
∫
(
2
00
11
2
22
p i
l
k
k k
C
F
k k l
−+−
=+
∫
1无人船控制系统示意图图2船载控制系统硬件结构示意图
12
l r
F F k F k
=+
12
()
l r
N F k F k l
=−
()()
00
p i
F C
N k k
ψψ
ψψψψ
=
=−+−
∫
00
2
1()
2
p i
r
k k
F C
k l
−+−
=−
∫
p
k
奇瑞b14
()(
00
2
1()
2
p i
r
k k
F C
k l
−+−
=−
∫
()(
2
00
11
2
22
p i
l
k l
k k
C
F
k k l
−+−
=+
∫
1无人船控制系统示意图图2船载控制系统硬件结构示意图
12
l r
F F k F k
氢的同位素=+
12
()
l r
N F k F k l
=−
()()
00
p i
N k k
ψψψψ
=−+−
∫
()()
00
2
1()
2
p i
r
k k
F C
k l
ψψ
ψψψψ
−+−
=−
∫
p
k
()()
00
1()
p i
r
k k
F C
−+−
=−
∫
1无人船控制系统示意图图2船载控制系统硬件结构示意图
12
l r
F F k F k
=+
12
()
l r
N F k F k l
=−
00
p i
00
2
1()
2
p i
r
k k
F C
k l
−+−
=−
∫
p
k
()()
00
2
1()
2
p i
r
k k
F C
k l
k k
ψψψψ
−+−
=−
−+−
∫
∫
()()
2
00
11
2
秒差距
22
p i
l
k l
k k
C
F
k k l
ψψ
ψψψψ
−+−
=+
以将工作包合并和拆分，对流向码或者加工码相同、工序相同的工作包合并成一个大的工作包，或将一个大的工作包拆分成几个小工作包。
派工单来源于工作包，由于工作包根据加工码、流向码、组件、部件编制等，其粒度已经够细，班组长只需根据班组人员负荷、工种进行拆分或直接转换即可，其工单的输入、输出物料很容易手工调整，即可生成工单和对应的输入输出托盘。
（1）把好生产设计这一关。设计作为实施托盘管理的源头和基础，设计交付的零件管理表表达作业对象及施工内容、加工装配顺序、工艺路线、加工量、工时定额等，对托盘的生成起决定性的作用；
（2）成立集配班组。集配班组是托盘管理的组织、协调和实施机构，是托盘管理的中心环节，是实现中间产品制作、集配、安装统一管理的组织者、协调者；
（3）开发或引进一套有效的托盘管理系统软件。信息系统是托盘信息化管理和托盘管理高效运作的
体现。由于托盘管理是一项系统工程，信息量大而复杂，如果没有软件配合管理，效率将会十分低下，条理也难以清晰。7 结语
现代造船模式下，托盘管理是造船企业提高造船舾装效率的主要管理方式。在托盘管理方面，我国造船企业的舾装制造效率和国外造船企业不相上下，但是在壳装制造领域还未能实现托盘化管理，而在国外已经有很多造船企业和船用钢材企业建立共同加工中心，进行托盘化配送。因此，本文在借鉴舾装托盘管理的基础上，将托盘管理的理念引入到壳装管理领域，通过分段DAP分析引入工位代码概念，建立壳装托盘管理体系，并在设计软件端提供零件加工编码和组立类型编码结构化数据，为工作包、派工单的划分以及输入物料的计算提供基础，通过计算出每个工单的输入物料为托盘的配送物料提供依据，实现物流配送的有序化；结合物联网已有建设基础，把托盘化配送与船舶生产结合形成一个信息流，及时反馈工程进度与生产动态，为生产控制与设计优化提供依据，以更加精细和动态的方式管理生产，提高资源利用率和生产力水平。
参考文献
[1]应长春．船舶工艺技术[M]．上海：上海交通大学出版社，2013．
[2]李沛田，靳长勇．基于BOM的船体生产设计数据管理技术研宄[J]． 船舶与海洋工程，2016.
[3]王明．托盘化配送在分段制作中的研究与应用[J].船舶工程，2010（1）.
（上接第50页）
径跟踪控制实验的要求。
6 结论
本文搭建了一套无人船控制系统，并进行详细的软、硬件设计，最后采用实船试验的方式对控制系统的应用效果进行了验证：控制系统基本实现了事先设定的航向角的跟踪控制，初步证明了控制系统的有效性。但本试验为湖中预制区域试验，试验环境远没有实际海洋环境恶劣，而且试验功能相对简单，对于系统在复杂海况环境下进行复杂控制任务的性能，还有待更深入的研究。
参考文献
[1]石 祥．水面无人船控制系统设计与研究[D]．上海海洋大学，2015.
[2]何 萍．全球海战机器人[M]．北京：解放军出版社，2012.
[3]张树凯，刘正江，张显库，等．无人船艇的发展及展望[J]．世界海运， 2015,38（9）：29-36.
[4]曹娟，王雪松．国内外无人船发展现状及未来前景[J]．北京：中国船检， 2018，（5）：94-97.
[5]佟科斌．水质采样无人船控制系统设计[D]．海南大学，2017.
（上接第107页）
对于质量管理，相关人员要高度重视，施工前做好预防交底、施工中强化检查管理、施工后加以总结提高，加强对施工人员的培训及考核，提高施工人员的质量意识，只有这样质量管理才会起到效果，才能建造出高质量船舶，为我国造船业的高质量发展打下坚实基础。
参考文献
[1] 中国质量协会, 国家质检总局，全面质量管理[S]．2016.
[2] 中央军委装备发展部. 质量管理体系要求理解与实施GJB9001C [S]. 2017.
[3] 宋太亮. 装备建设大质量观[M]. 北京：国防工业出版社 2017.
64
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议