学术论文 | 无人艇载多波束组网测量系统

海洋领域

引言 

无人、组网测量可提高海洋测绘的测量效率和智能化水平,是当前海洋经济国家战略下对海洋测量装备发展提出的新要求,是海洋测量装备的发展趋势和海洋测量技术研究的热点。无人艇为代表的无人搭载平台,在海底地形测量中扮演着越来越重要的角色,并获得广大客户的认可和使用。随着无人艇的快速发展,群组和编队研究的逐步深入,近年来,无人艇研究单位获得多项的编队控制成果。华中科技大学的无人艇编队演示显示,在巡逻过程中,编队自主发现可疑目标,“一”字编队自发切换成圆形编队,对目标实施围捕,研究成果可针对围捕任务变换合适的队形,体现了无人艇的自主性;哈尔滨工程大学沈佳颖提出基于行为法的领航-跟随编队控制方法,在此基础上采用改进的粒子群算法优化无人艇的基本行为权重参数,最后引入改进的人工势场法,实现了在静态障碍物环境和动态障碍物环境下基于避碰行为的多无人艇编队控制,并且取得了较好的效果,研究成果侧重于无人艇编队控制理论研究和仿真验证,但还需实际应用的检验;珠海云洲智能科技有限公司进行了多次的集群演示,实现了无人艇集群队形保持、动态任务分配、队形自主变换、协同避障等多项功能,根据无人艇运动学动力学模型设计的扩展卡尔曼滤波器,解决了通信中断和大时延下的无人艇导航信息共享丢失或及时的问题,针对不同协同任务需求设计的多艇自适应最优协同追踪控制算法和基于距离最优的编队防碰撞控制器,可实现集群通信正常下系统位置误差小于2m,研究成果可应用于无人艇集群表演,也可推广应用于未来海事战争中,最大程度地支撑无人艇的自主性研发。

 

以上分析来看,目前编队控制研究主要针对军事任务,如“蜂群”战术、“鲨群”战术,与多波束测量作业任务结合少(演示时未见携带多波束测深系统)。为了快速地包围、驱赶敌方,达到掩护己方的目的,应用于“蜂群”战术等军事应用的协同控制要求具有快速、复杂的队形变换和动态任务分配能力,而这些能力和多波束作业紧密程度不高。在多波束测量作业时,数据覆盖会随着水深不同而变化,无人艇不但要求能高精度跟踪测线,还可根据测量水深实时调整编队间的测线宽度。因此对无人艇载多波束组网测量系统的研究,需要基于分布式测量一体化策略,重点解决无人艇实时自主规划航线,通过编队信息偏差计算,不断更新选择合适的协同跟踪控制策略,完成测量信息实时拼接。

本文为了提高大型测量船的测量效率,借助无人艇协同控制理念,开展无人艇载多波束组网测量系统总体设计以及航行/测绘一体化、组网拼接、伴随控制等关键技术的研究,集成了多无人艇和多波束的组网测量系统。试验表明,基于该方案实现的测量模式具有作业效率、操作智能化程度高的优势,航线跟踪和水深测量精度满足相关标准要求。本文所集成的无人艇载多波束测量系统极大地提高了水深测量数据快速获取的能力,基于此系统所提出的组网测量作业方式对海洋测绘、调查作业模式有着借鉴和启发意义。

 

 

无人艇载多波束组网测量系统总体设计

 

无人艇载多波束组网测量系统是可通过无人艇编队与测量母船组网的形式,执行自主航行、自主海洋地形地貌测绘任务的海洋测绘系统。

根据功能设计,无人艇载多波束组网测量系统包括无人平台、多波束测量子系统、母船/岸基作业管理中心,见图1。

(图1  组网测绘系统组成示意图)

由于多波束和无人艇均使用了导航定位设备,且对导航定位设备要求的精度基本一致,因此,无人艇及多波束设备共用一套导航定位设备。考虑多波束数据均汇总至母船进行数据拼接,因此使用一对多的通信电台,结合数据传输高带宽的需求以及海上复杂的通信环境的影响,电台采用了OFDM通信技术。无人艇载多波束组网测量系统采用任务层(管理层)、协调层、执行层的三层系统架构。任务层(管理层)是测绘任务的入口,负责测线规划、无人艇船队管理等任务,协调层依据任务层的指令,对测线信息进行解译,生成无人艇运动路径控制信息,协调无人艇的运动控制;执行层则完全按照协调层生成的执行命令,由控制器驱动电机和舵机完成柴油机油门大小和舵机舵角控制的动作。

目前多波束技术已相对成熟并有广泛的应用,无人艇技术也是获得越来越多的关注和资金投入,从单艇作业层面来看,无人艇在测绘行业的应用也有成熟的产品,如AVS的C-WORKER,北京劳雷海洋仪器有限公司SUV1030等。因此,针对无人艇载多波束组网测量系统的开发,无人平台选用已有的5.5m和7.5m艇,多波束设备则选用目前市场占有率高的R2SONIC系列,重点是突破航行/测绘一体化、多艇组网拼接,以及伴随控制等关键技术。

 

 

关键技术 

1、航行/测绘一体化

无人测绘艇(平台)已有大量的应用和报道,其采用无人艇航行和任务载荷分开控制的开发思路,即无人艇航行和多波束数据采集作业采用两套独立的作业系统,因此,测线规划无法直接应用于无人艇的轨迹跟踪控制上,导致测线设计与无人艇航行控制脱节,容易造成规划测线与路径规划不一致而新增测线偏差的问题。为了解决上述问题,本文提出了航行/测绘一体化设计技术,包括艇端和船端(岸端)设计。

⑴ 艇端设计

艇端的自动航行和测绘控制、数据采集功能主要由航行主控与测绘采集系统完成。航行主控与测绘采集系统主要由一台工控计算机及相应软件模块组成(图2),它作为无人艇上的大脑,负责最上层的作业任务接收处理、导航计算、自主航行控制、测绘数据采集处理、数据记录与回传等上层事务的处理。所有这些事务将由两个软件模块来完成:自主航行控制软件,负责根据导航计算结果完成不同模式下的自主航行功能;导航与测绘采集软件,负责接收和处理作业任务指令、导航计算、测绘数据采集处理及上传等。

(图2  航行主控与测绘采集系统功能示意图)

机舱控制采集系统主要包括单板计算机、控制信号输出模块、模拟信号采集模块,主要负责接受来自航行主控的各种操作控制命令,实现无人艇机舱设备的自检与控制,同时采集机舱反馈状态发送航行主控系统。

⑵船端(岸端)设计

艇端的测线规划、组网数据拼接、航行测绘控制功能主要由母船/岸基作业管理中心完成。母船/岸基作业管理中心,主要包括测绘管理数据中心和船队管理系统,其功能功能关系如图3所示。测绘管理数据中心功能由一台高性能的工控计算机来实现,具备高性能的多核CPU和高性能显卡,分别用于大量数据处理及实时图形效果显示。

测绘管理数据中心计算机上安装有两套软件:测绘作业软件(本文开发的)和Caris后处理软件。分别用于母船及无人艇测绘数据的实时采集记录与后处理分析。

(图3 母船/岸基作业管理中心的功能构架关系示意图)

2、组网拼接技术

从上节中可知,测绘作业软件用于母船及无人艇测绘数据的实时采集记录,主要是测绘数据和结果的实时展示与质量控制,以确保作业和采集记录数据的有效性。测绘作业软件需要由组网拼接技术支撑,其组网拼接流程主要包括作业规划、安装偏差校准、测绘及导航信息采集、无人艇伴随控制、多波束数据组网拼接显示及存储。

3、伴随控制

伴随控制是面向测绘开发的编队控制方法,是协同导引和控制技术的一种具体形式。协同导引和控制技术是解决根据编队协同决策生成的最优化队形要求,实时优化并形成队形控制与保持的指令,保证实现节点的避碰机动控制和高品质的航行问题。无人艇能够安全和稳定地自主编队航行并按照要求完成任务,在很大程度上取决于无人艇之间的对定位系统、传感器和探测等信息获取系统得到的信息的互通和互操作水平。本文将母船的位置和姿态实时传输至伴随无人艇,无人艇根据母船位置和姿态信息,结合自身的航行信息,以速度和航向角一致性为目标执行自动轨迹跟踪控制。

目前无人艇控制的研究成果已被广泛报道,本文采用航向/航速双闭环的控制方法,操控原理见图4。舵泵控制系统、倒车泵控制系统均只能通过控制其通断时间来调节舵角或倒车斗角,即舵角控制器、倒车控制器均是采用开关控制的方式。而航向控制器、航速控制器是该运动控制系统的核心,尤其对于艇的安全和使命任务来说,其航向保持与控制能力,显得至关重要。

(图4 运动控制原理示意图)

试验及结果

为验证本系统的功能及性能,对本系统进行海试试验。试验现场选取舟山海域,配备了母船1艘、伴随艇2艘,母船选用浙江大学紫金港号(船长约20米),伴随艇为北京劳雷海洋仪器有限公司自研的无人艇(5.5m、7.5m),多波束设备全部选用R2SONIC2024。

对无人艇载多波束组网系统的功能和性能进行测试,测线间距设定为50m。试验结果表明,伴随功能实现了多伴随艇一致、协同地伴随母船进行测线跟踪,组网拼接功能可将母船和伴随艇的多波束数据汇总拼接显示,其中3台多波束实时工作和多波束数据拼接效果见图5。

(图5 组网拼接效果图)

试验时,多波束水深点1024个,采用超高密度模式。在数据后处理中,利用Caris软件对采集到的数据进行姿态改正、声速改正、潮汐改正、粗差剔除等操作,将数据导出存成文本文件。对扫测区域不同测线的重复覆盖范围里的水深数据点进行统计,统计数据如表1所示。统计分析表明纵横测线重叠较好,内符合精度符合《海道测量规范》和《海洋工程地形测量规范》中关于内符合的精度要求。

 

结束语

为了提高传统多波束测量的效率、提升其作业方式的自动化、智能化水平,本文开展了无人艇载多波束组网测量系统的总体设计以及航行/测绘一体化、组网拼接和伴随控制等关键技术的研究,最后进行系统集成,并对系统进行了试验,取得了理想的研究成果。

⑴航行/测绘一体化技术能够实现多艇协同航行、组网测绘的功能,配合伴随控制技术可实现测线高精度跟踪。

⑵组网拼接功能能够实现多台多波束组网测量,可以成倍地提高测绘效率。

⑶无人艇组网多波束测量时的水深测量误差满足《海道测量规范》和《海洋工程地形测量规范》,因此测量数据是可用的。

⑷无人艇组网测量为新型的作业系统,经试验验证了作业的可行性,可以广泛推广,且对海洋测绘、调查作业模式有着借鉴和启发意义。

⑸无人艇载多波束组网测量系统仍无避障等功能,但是未来可嵌入相关的避障研究成果,以提高无人艇的智能化水平。

⑹本文所提的无人艇载多波束组网测量系统的开发架构层次分明,对于开发高端海洋智能测量设备有着借鉴意义。

 

延伸:

文/洪在地 刘斌 徐明 赵鑫,均来自北京劳雷海洋仪器有限公司海洋技术研究中心。

本文为科技专项,科技部重大仪器专项(2018YFF01013400);文章来自《海洋测绘》(2020年第1期),版权归作者及出版社共同拥有。

文章由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。