謝　朔，柳晨光，初秀民，吳　青,c

(武漢理工大學(xué) a.國(guó)家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心;b.能源與動(dòng)力工程學(xué)院;c.物流工程學(xué)院，武漢 430063)

基于混合式體系結(jié)構(gòu)的無(wú)人船控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝朔a,b，柳晨光a,b，初秀民a，吳青a,c

(武漢理工大學(xué) a.國(guó)家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心;b.能源與動(dòng)力工程學(xué)院;c.物流工程學(xué)院，武漢 430063)

摘要：為了提高無(wú)人船在復(fù)雜的環(huán)境下自主航行與避碰的適應(yīng)能力，設(shè)計(jì)了一種兼顧反應(yīng)式行為和智能決策行為的混合式體系結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在普通的三層分層遞階控制系統(tǒng)上加入分析層，該層包括信息分析與行為分析兩個(gè)模塊，兩模塊采用基于權(quán)重的方法將無(wú)人船航行事件劃分優(yōu)先級(jí)，高優(yōu)先級(jí)事件(避碰)通過反應(yīng)式行為執(zhí)行，而低優(yōu)先級(jí)事件(自主航行)通過智能決策行為執(zhí)行。通過無(wú)人船自主航行與避碰實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)能在實(shí)時(shí)避碰的情況下滿足自主航行要求。

關(guān)鍵詞：無(wú)人船；控制系統(tǒng)；混合體系；優(yōu)先級(jí)

為了滿足無(wú)人船在復(fù)雜環(huán)境下的自主航行和避碰需求，需要設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性好的無(wú)人船控制系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者為此開展了廣泛的研究。其中，基于分層遞階控制的結(jié)構(gòu)體系控制系統(tǒng)已成為研究熱點(diǎn)[1-3]。作為一種自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)的智能控制方法，分層遞階控制已經(jīng)被應(yīng)用到一些多任務(wù)無(wú)人艦船的控制系統(tǒng)中[4-6]。然而，對(duì)于在復(fù)雜水面環(huán)境下實(shí)際航行的無(wú)人船，需要在自主航行的同時(shí)完成實(shí)時(shí)避碰的緊急任務(wù)，普通的分層遞階控制系統(tǒng)對(duì)緊急情況難以做出迅速反應(yīng)，難以滿足控制系統(tǒng)需求。因此，如何提高無(wú)人船控制系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的控制實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性是一個(gè)關(guān)鍵問題。混合式體系結(jié)構(gòu)作為一種兼顧分層遞階控制和緊急反應(yīng)式控制的體系結(jié)構(gòu)，能夠在全局智能分層決策的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)局部緊急任務(wù)的實(shí)時(shí)處理[7]。該控制體系在自動(dòng)駕駛車輛[8-9]上得到了廣泛應(yīng)用。借鑒于此，結(jié)合駕駛行為的研究方法[10-11]，提出一種基于混合式體系結(jié)構(gòu)的無(wú)人船控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在分層遞階控制中引入信息分析和執(zhí)行分析層，形成混合式系結(jié)構(gòu)，以構(gòu)成感知-行為以及感知-規(guī)劃-行為兩種控制路線，前者執(zhí)行較高優(yōu)先級(jí)反應(yīng)式任務(wù)(避碰)，后者執(zhí)行較低優(yōu)先級(jí)規(guī)劃任務(wù)(自主航行)。該系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立，采用標(biāo)準(zhǔn)消息協(xié)議信息共享與協(xié)同合作。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行機(jī)制

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

提出混合式體系結(jié)構(gòu)見圖1，總體上采用4層混合式體系結(jié)構(gòu)，通過在普通的3層分層遞階控制體系中加入分析層來(lái)產(chǎn)生介于上層決策與下層執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的反應(yīng)式運(yùn)行通路。其中，各層次之間的信息傳遞采用信息總線進(jìn)行共享。

圖1　混合式體系控制結(jié)構(gòu)

1) 決策層。主要由環(huán)境模型，智能決策和命令生成3個(gè)模塊構(gòu)成。在接受由協(xié)調(diào)層傳遞的信息之后，從所建立的模型中更新狀態(tài)信息，然后由智能決策模塊對(duì)無(wú)人船的行為、路徑做出評(píng)價(jià)，生成最優(yōu)的方案，并由規(guī)定格式轉(zhuǎn)化為執(zhí)行命令。

2) 分析層。分為信息分析與執(zhí)行分析2個(gè)模塊。信息分析模塊的作用是：對(duì)于一般狀態(tài)下的航行任務(wù)，將信息傳遞到?jīng)Q策層以供較高等級(jí)的智能規(guī)劃決策；對(duì)于緊急情況下的任務(wù)，直接將用于該任務(wù)的航行信息由信息分析模塊傳遞到執(zhí)行分析模塊形成反射行為。執(zhí)行分析模塊的作用是：由信息分析模塊直接傳遞來(lái)的信息生成對(duì)應(yīng)的緊急航行任務(wù)的命令，然后傳遞給協(xié)調(diào)層；而對(duì)于協(xié)調(diào)級(jí)傳來(lái)的一般航行命令，按優(yōu)先級(jí)順序傳遞給協(xié)調(diào)層。

3) 協(xié)調(diào)層。其主要作用是將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反饋信息傳遞給分析層，并分配由分析層傳遞的決策方案，對(duì)應(yīng)不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)分解為不同的子任務(wù)，同時(shí)確定各子任務(wù)的執(zhí)行順序與執(zhí)行條件。

4) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)。包含用于執(zhí)行航行命令的機(jī)構(gòu)(舵、槳)以及部分反饋信息給控制系統(tǒng)的反饋機(jī)構(gòu)，是自動(dòng)控制模塊最底層的部分。

1.2系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制

1.2.1整體運(yùn)行機(jī)制

整體上，該混合式結(jié)構(gòu)體系中的兩條系統(tǒng)通路為：①對(duì)于緊急事件的處理，感知的信息被發(fā)送到上位機(jī)中的信息分析模塊，進(jìn)而直接反射到執(zhí)行分析模塊中，信息處理生成指令分配給執(zhí)行機(jī)構(gòu)；②對(duì)于一般航行任務(wù)的處理，感知到的信息經(jīng)過信息分析模塊處理成統(tǒng)一的信息格式傳遞給上位機(jī)，經(jīng)過決策層的程序進(jìn)行處理后再將生成的操縱指令以統(tǒng)一的格式傳遞給下位機(jī)，最后將指令分配到執(zhí)行層的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

要實(shí)現(xiàn)上述對(duì)不同航行事件的處理，需要對(duì)航行事件劃分優(yōu)先級(jí)，使低優(yōu)先級(jí)的事件由通路②進(jìn)行智能決策處理，而高優(yōu)先級(jí)的緊急事件由通路①進(jìn)行反應(yīng)式處理。

1.2.2基于權(quán)重的優(yōu)先級(jí)劃分方法

仿照神經(jīng)網(wǎng)路的學(xué)習(xí)推理機(jī)制，采用對(duì)事件加以權(quán)重的方法進(jìn)行分類。事件的權(quán)重處理過程見圖2。

圖2　事件權(quán)重處理過程

以避碰過程為例解釋為：當(dāng)無(wú)人船信息感知模塊(雷達(dá)以及超聲波傳感器等)檢測(cè)到前方障礙物時(shí)，由信息分析模塊分析出當(dāng)前障礙物信息以及船自身的航行信息并對(duì)每條信息加以權(quán)重fi，當(dāng)滿足以下閾值條件時(shí)，由信息分析模塊直接反射到執(zhí)行分析模塊：

(1)

式中：T(fi)——每條信息傳遞的閾值。

當(dāng)信息權(quán)重大于該閾值，判定為緊急安全信息，當(dāng)其到達(dá)執(zhí)行分析模塊后，由一系列學(xué)習(xí)好的反射庫(kù)進(jìn)行匹配，迅速作出避讓行為決策序列mi，比如轉(zhuǎn)舵、減速等。每個(gè)行為均有觸發(fā)閾值設(shè)定T(mi)，當(dāng)子行為滿足以下閾值條件時(shí)，可以直接進(jìn)入執(zhí)行層執(zhí)行避讓行為指令。

(2)

式中：T(m)——設(shè)定的總閾值。

由于執(zhí)行分析模塊要同時(shí)處理由信息分析模塊和決策層傳遞來(lái)的命令。在同一時(shí)刻的避讓操縱可能會(huì)由2個(gè)通路同時(shí)傳遞，此時(shí)，由直接反射傳遞來(lái)的操縱指令直接影響執(zhí)行層的執(zhí)行過程，系統(tǒng)不必等待決策層的規(guī)劃指令。當(dāng)直接反射指令處理完畢之后，繼續(xù)執(zhí)行決策層的規(guī)劃指令。具體表現(xiàn)為：無(wú)人船對(duì)于突現(xiàn)障礙物表現(xiàn)為反射性避讓，對(duì)于整體的固定障礙物或者障礙群，由決策規(guī)劃的最優(yōu)路徑進(jìn)行總體操控。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1硬件設(shè)計(jì)

分為用于實(shí)現(xiàn)智能決策與規(guī)劃的上位機(jī)和分配執(zhí)行任務(wù)生成操作指令的下位機(jī)以及執(zhí)行控制命令的執(zhí)行機(jī)構(gòu)3部分，在功能上分別對(duì)應(yīng)混合體系中的決策層與分析層、協(xié)調(diào)層及執(zhí)行層。具體設(shè)計(jì)如下。

1) 上位機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)決策層的智能決策程序，無(wú)人船自主航行時(shí)，岸端的感知設(shè)備感知的信息均以無(wú)線通信的方式傳遞給上位機(jī)。綜合以上要求，選用帶有RS232通信接口和4 G網(wǎng)絡(luò)模塊的工控機(jī)作為上位機(jī)。

2) 下位機(jī)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)層的功能，介于決策和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間，需要一定的快速響應(yīng)能力。使用基于STM32F407系列單片機(jī)作為控制芯片的電路板。該電路板采用RS232串口通信總線與上位機(jī)進(jìn)行通信，同時(shí)將指令傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)并接收反饋回來(lái)的信息。電路板上各功能模塊見圖3。

圖3　下位機(jī)功能模塊

3) 控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括推進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)控制系統(tǒng)。同時(shí)在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上安裝用于檢測(cè)螺旋槳轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器和用于檢測(cè)舵角的角度測(cè)量傳感器。

2.2程序設(shè)計(jì)

從系統(tǒng)總體組成可知該控制系統(tǒng)的程序主要包含上位機(jī)和下位機(jī)的程序。

1) 上位機(jī)程序。包括決策層的智能決策程序和分析層的信息分析和執(zhí)行分析程序。程序流程為信息分析部分程序?qū)ν獠總鞲衅鞯男畔⒁约皥?zhí)行機(jī)構(gòu)反饋信息的優(yōu)先級(jí)劃分處理，低優(yōu)先級(jí)的信息傳遞到智能決策程序，該程序?qū)⑺枰膮?shù)傳遞到船舶航跡跟蹤模型中解算操縱指令并傳遞給執(zhí)行分析程序，完成一般航行任務(wù)。高優(yōu)先級(jí)的信息則直接傳遞到執(zhí)行分析程序，并作出反應(yīng)式的行為指令。該程序基于VC平臺(tái)編寫，在上位機(jī)中運(yùn)行。

2) 下位機(jī)程序。包括2個(gè)部分：上位機(jī)與下位機(jī)之間的信息傳遞程序和下位機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的信息傳遞程序。上下位機(jī)的信息傳遞協(xié)議有用于識(shí)別消息的標(biāo)識(shí)碼、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、發(fā)送/請(qǐng)求位以及表征信息優(yōu)先級(jí)的信息權(quán)重。而下位機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信息處理方式為：以脈沖寬度調(diào)制實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變壓調(diào)速以及舵機(jī)的控制。以中斷方式接收螺旋槳轉(zhuǎn)速與舵角傳感器反饋的信息。需要設(shè)計(jì)的程序主要包括單片機(jī)的初始化配置、信息斷與處理函數(shù)以及PWM波指令的生成等。

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的混合式結(jié)構(gòu)無(wú)人船控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和魯棒性，使用模型船實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括搭載了該控制系統(tǒng)的一艘模型船、用于定位船舶的攝像頭和用于遠(yuǎn)程監(jiān)控的計(jì)算機(jī)。其中，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)見圖4，模型船見圖5。

圖4　模型船實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖5　模型船

該模型船為一艘欠驅(qū)動(dòng)魚雷艇的縮尺模型，船內(nèi)安裝有硬件設(shè)計(jì)中所述的上位機(jī)和下位機(jī)，分別用于運(yùn)行程序設(shè)計(jì)中所述的上位機(jī)程序和下位機(jī)程序。船尾安裝有控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)用以驅(qū)動(dòng)舵槳來(lái)對(duì)船舶進(jìn)行控制。

將無(wú)人船的航行任務(wù)設(shè)計(jì)為：一般航行任務(wù)為航跡跟蹤，緊急航行任務(wù)為避碰，航跡為閉合折線段，規(guī)定航跡和障礙物位置設(shè)定見表1。

表1　航跡和障礙物位置　dm

無(wú)人船跟蹤結(jié)果見圖6。其中虛線為規(guī)劃航跡，圓圈里的點(diǎn)為障礙物位置，實(shí)線為無(wú)人船實(shí)際航行的路徑。

圖6　跟蹤結(jié)果

從跟蹤結(jié)果可以看出，無(wú)人船能按照設(shè)定的軌跡航行，在航行過程中成功避開障礙物，并在避讓之后迅速回到航線上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該混合式體系控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)在實(shí)時(shí)避碰的情況下完成自主航行的目標(biāo)。

4結(jié)論

本文對(duì)所設(shè)計(jì)的混合式結(jié)構(gòu)體系控制系統(tǒng)進(jìn)行的無(wú)人船航行避碰實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明了該控制系統(tǒng)對(duì)于復(fù)雜航行任務(wù)具有良好的適應(yīng)能力，揭示了混合式結(jié)構(gòu)體系對(duì)于緊急航行狀況的包容性。

相對(duì)于目前學(xué)者普遍研究的船舶分層遞階控制系統(tǒng)而言，本文所設(shè)計(jì)的無(wú)人船控制系統(tǒng)加入了對(duì)船舶航行事件優(yōu)先級(jí)的劃分，并嘗試在軟硬件層構(gòu)建了控制系統(tǒng)。但該系統(tǒng)存在的問題是：在采取不合適的信息閾值的情況下可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)人船持續(xù)陷入反應(yīng)式任務(wù)中，無(wú)法回歸全局的智能決策任務(wù)。在進(jìn)一步的深入研究中可以考慮采取信息自適應(yīng)閾值的設(shè)定方法來(lái)進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力。隨著水上交通環(huán)境的多樣化、復(fù)雜化，船舶的無(wú)人化、自動(dòng)化已經(jīng)成為一個(gè)趨勢(shì)。所設(shè)計(jì)的無(wú)人船控制系統(tǒng)可以運(yùn)用在小型無(wú)人測(cè)量船、無(wú)人巡邏艇等需要實(shí)現(xiàn)自主航行任務(wù)的船舶上，具有重要研究意義。

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Unmanned Ship Control System Design Based on Hybrid Architecture

XIE Shuoa,b, LIU Chen-guanga,b, CHU Xiu-mina, WU Qinga,c

(a. Engineering Research Center for Transportation Safe;b. School of Energy and Power Engineering;c. School of Logistics Engineering,Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Abstract:In order to improve the unmaned ship's abilities of autonomous navigation and collision avoidance in the complex environment, a control system based on the hybrid architecture which includes both reactive behavior and intelligent decision-making behavior is desgined. The system adds the analysis layer which includes the information analysis and the action analysis into ordinary three-layer hierarchical control system. The analysis layer adopts the weighting method to prioritize the ship sailing events. The high-priority event (collision avoidance) is carried out through reactive behavior, and low priority event (autonomous navigation) is carried out through intelligent decision-making behavior. The unmanned ship autonomous navigation and collision experiment verified that the system can satisfy the requirements of real-time collision avoidance in autonomous navigation.

Key words:unmanned ship; control system; hybrid architecture; priority-based

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.009

收稿日期：2015-09-10

基金項(xiàng)目：湖北省自然科學(xué)基金(2015CFA111)

第一作者簡(jiǎn)介：謝朔(1993—)，男，碩士生 E-mail:xieshuo@whut.edu.cn

中圖分類號(hào)：U666.11

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2016)03-0039-04

修回日期：2015-11-29

研究方向:交通運(yùn)輸工程