呂霞付，程啟忠，林 政

一種小型無人船地面站通信控制端設(shè)計(jì)

呂霞付，程啟忠，林 政

（重慶郵電大學(xué) 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065）

為了解決無人船和地面站之間的通信受距離的影響，并且地面站人機(jī)交互控制軟件功能的缺失等問題，設(shè)計(jì)一種采用兩種通信單元的、交互界面更完善的地面站系統(tǒng)。根據(jù)無人船和地面站距離的不同而采用不同通信單元，以保證無人船自身的狀態(tài)數(shù)據(jù)以及周圍環(huán)境的視頻可以正常和穩(wěn)定地傳輸?shù)降孛嬲?，并對回傳的?shù)據(jù)進(jìn)行檢測和故障分析，在優(yōu)化的人機(jī)交互界面中顯示和播放,視頻延時(shí)平均為106.5 ms，使得用戶可實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人船。通過測試，該地面站系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行可靠。

狀態(tài)監(jiān)測 視頻監(jiān)控 人機(jī)交互 通信方式 地面站

0 引言

將無人系統(tǒng)應(yīng)用在船艇的研究已成為國內(nèi)外的熱點(diǎn)[1]。無人船（Unmanned Surface Vehicle，簡稱USV）是一種可在各種水域環(huán)境下、能夠依靠自主方式在水面上航行或執(zhí)行任務(wù)的無人化、智能化移動(dòng)平臺。包括無人船在內(nèi)的無人設(shè)備，他們都離不開地面站的指揮和控制，地面站是無人設(shè)備系統(tǒng)的直觀反映[2]。與無人船以無線通信方式的人機(jī)交互的控制端[3]，則要能夠滿足用戶使用無人船的需求，并且可以實(shí)現(xiàn)對無人船實(shí)時(shí)管控操作。其中，文獻(xiàn)[4]能夠?qū)崟r(shí)對無人船船身的速度、偏航角、位置信息、障礙物距離、電池電量等狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，但設(shè)計(jì)單一且兼容性差；文獻(xiàn)[5]可在地面站系統(tǒng)上規(guī)劃無人船任務(wù)航線，使得無人船按既定的目標(biāo)位置航行并實(shí)時(shí)返回?zé)o人船的位置信息，做到位置跟蹤，但通信距離短；文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)的地面站能實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人船周圍環(huán)境，但其視頻監(jiān)控延時(shí)長、費(fèi)用貴；文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)地面站軟件界面可以完成人機(jī)交互的過程，但其人機(jī)交互軟件功能有待完善；最后，當(dāng)無人船遇到緊急情況，使用者還可通過遙控器對無人船進(jìn)行控制。迫于實(shí)際應(yīng)用的需求，本文設(shè)計(jì)和開發(fā)了一套彌補(bǔ)了通信距離短的無人船地面站系統(tǒng)，它是一個(gè)集航線規(guī)劃任務(wù)、航跡追蹤、狀態(tài)監(jiān)測、視頻監(jiān)控以及緊急遙控輔助等功能于一體的綜合人機(jī)交互系統(tǒng)。

1 地面站系統(tǒng)總體組成和設(shè)計(jì)

地面站系統(tǒng)主要由通信模塊、便攜式計(jì)算機(jī)、人機(jī)交互控制軟件和輔助遙控器組成。

地面站與無人船通信，可接收到無人船的環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)和視頻信息，也可向無人船發(fā)送航線計(jì)劃或任務(wù)信息和遙控器輔助控制。通信模塊根據(jù)無人船和地面站之間距離的大小，分為五公里以內(nèi)通信單元和五公里之外通信單元兩種通信方式。其中五公里以內(nèi)通信方式不需要附加費(fèi)用，由2.4 G頻段數(shù)傳模塊和5.8 G頻段視頻模塊組成；而五公里之外通信單元采用4 G頻段視頻和數(shù)據(jù)通信模塊。當(dāng)?shù)孛嬲九c無人船之間距離超過五公里或五公里以內(nèi)通信單元出現(xiàn)故障時(shí)，可自動(dòng)切換至五公里之外通信單元，但需要附加流量費(fèi)用。無人船地面站系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 無人船地面站系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

無人船執(zhí)行任務(wù)前需要60 s的啟動(dòng)自檢，此時(shí)將地面站的經(jīng)緯度坐標(biāo)發(fā)送給無人船，并記錄G0（latX0，lngY0）。當(dāng)無人船行駛到某點(diǎn)Gx（latX，lngY）時(shí)，根據(jù)無人船和地面站之間距離計(jì)算公式：

式中：為地球的半徑6378137 m。

2 地面站系統(tǒng)硬件平臺

地面站系統(tǒng)硬件主要由2.4 G數(shù)傳模塊、5.8 G視頻模塊、便攜式計(jì)算機(jī)、4 G通信模塊和433 M遙控器組成。

2.1 五公里以內(nèi)通信單元

五公里以內(nèi)通信單元包括2.4 G數(shù)傳模塊和5.8 G視頻模塊。其中2.4 G數(shù)傳模塊選用支持LORA和 FLRC調(diào)制機(jī)制的 E28-2G4M20S射頻收發(fā)模塊，理論通信距離為6000 m，并通過TTL轉(zhuǎn)RS232模塊與便攜式計(jì)算機(jī)的USB接口相連。5.8 G視頻模塊由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成，發(fā)射機(jī)置于無人船上，接收機(jī)通信接口插入便攜式計(jì)算機(jī)的USB接口。發(fā)射機(jī)模塊選用Turbowing-TX-2w發(fā)射機(jī)和FATSHARK蘑菇天線，地面站接收機(jī)模塊選用Turbowing-RX-2w接收機(jī)和平板天線，工作頻率5362~5945 MHz，理論距離可達(dá)5000~8400 m。

2.2 五公里之外通信單元

五公里之外通信單元選用4G通信模塊USR-LTE-7S4，實(shí)現(xiàn)地面站便攜式計(jì)算機(jī)串口到運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的雙向數(shù)據(jù)傳輸。五公里之外通信單元功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 五公里之外通信單元功能結(jié)構(gòu)圖

2.3 便攜式計(jì)算機(jī)

地面站與無人船主要的人機(jī)交互是通過上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的，可直觀地反映無人船的狀態(tài)，可進(jìn)行視頻監(jiān)控?zé)o人船的四周環(huán)境。采用筆記本電腦，方便攜帶。

2.4 輔助遙控器

地面站還要包括遙控模塊，用戶可以通過在地面站便攜式計(jì)算機(jī)的視頻監(jiān)控播放界面，觀看攝像頭拍攝的畫面，通過手動(dòng)遙控操作，必要時(shí)可遠(yuǎn)程對無人船進(jìn)行控制。采用一款LORA擴(kuò)頻的AS32-TTL-1W工業(yè)級無線數(shù)傳模塊作為433M頻段無線遙控器。

3 軟件設(shè)計(jì)和通信協(xié)議

3.1 軟件設(shè)計(jì)

為了方便用戶更加直觀地了解無人船的情況，本文基于Microsoft visual studio應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境、運(yùn)用C#編程語言開發(fā)了一款地面站人機(jī)交互控制軟件，該軟件能夠在Windows XP、Windows 7/8/10系統(tǒng)下運(yùn)行。

地面站系統(tǒng)的人機(jī)交互界面包括電子地面界面、數(shù)據(jù)顯示界面、故障警告界面、視頻監(jiān)控播放界面。地面站系統(tǒng)人機(jī)交互界面如圖3所示。

電子地面界面可以加載Google、Yahoo!、 Bing等地圖，并實(shí)現(xiàn)電子地圖的基本功能，如拖拽、縮放、經(jīng)緯度定位等，雙擊鼠標(biāo)即可設(shè)定航點(diǎn)，鼠標(biāo)右鍵即可對該航點(diǎn)進(jìn)行刪除、拖動(dòng)等操作，并可實(shí)時(shí)顯示無人船的航行軌跡。電子地圖界面的實(shí)現(xiàn)是基于GMap.NET控件，成功加載地圖后，首先聲明一個(gè)GMapOverlay對象覆蓋在地圖上，接下來的所有操作是在該對象上進(jìn)行的。GMapOverlay對象包含三個(gè)比較關(guān)鍵的集合：Markers、Routes和Polygons。通常用Markers來標(biāo)記地圖上某點(diǎn)，用Routes集合來記錄航行路徑，用Polygons集合可以完成對地圖區(qū)域的選擇。

數(shù)據(jù)顯示界面能夠清晰地向用戶展示無人船船體的航行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，包括地面站系統(tǒng)時(shí)間、無人船運(yùn)行時(shí)間、經(jīng)緯度、加速度、角速度、磁場力、GPS航向、GPS地速、偏航角、工控機(jī)溫度、電池能源板溫度、超聲波傳感器測量的障礙物距離、電池電量，將以數(shù)字的形式顯示數(shù)據(jù)信息，以便能夠及時(shí)獲取狀態(tài)信息并對無人船檢測或及時(shí)調(diào)整。

故障警告界面將以紅色字體的顯示形式，提醒用戶某傳感器模塊出現(xiàn)超出設(shè)定閾值的錯(cuò)誤，及時(shí)反映相關(guān)信息并做出調(diào)整。當(dāng)工控機(jī)溫度和電池能源板溫度超過60℃，需要對無人船進(jìn)行降溫處理。

視頻監(jiān)控播放界面可以實(shí)時(shí)播放無人船傳回的攝像頭拍攝畫面，并可以將某段視頻保存，以供回看。在Windows下基于流媒體處理的開發(fā)包DirectShow實(shí)現(xiàn)多種多樣的視頻處理需求，首先初始化并創(chuàng)建一個(gè)Filter Graph，從com對象中查詢特定的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾器Filter，接入接口MediaControl，然后在播放視頻畫面Graph的同時(shí)，在本地創(chuàng)建該視頻畫面用于保存。

圖3 地面站系統(tǒng)人機(jī)交互界面

3.2 通信協(xié)議

地面站系統(tǒng)的2.4G數(shù)傳模塊與無人船之間數(shù)據(jù)通信協(xié)議格式如表1所示，對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，每包數(shù)據(jù)32個(gè)字節(jié)，由包頭、包的序號、數(shù)據(jù)段、校驗(yàn)和、包尾組成，其中包頭為數(shù)據(jù)固定為0x55（1個(gè)字節(jié)），包的序號為數(shù)值（1個(gè)字節(jié)），表1中數(shù)據(jù)段由要傳輸?shù)?個(gè)數(shù)值組成（28個(gè)字節(jié)），校驗(yàn)和為前面30個(gè)字節(jié)相加后與0xFF相與得到的值（1個(gè)字節(jié)），包尾為數(shù)據(jù)固定為0xFE（1個(gè)字節(jié)）。

表1 地面站系統(tǒng)與無人船數(shù)傳通信協(xié)議

4 地面站系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和測試

將本地面站系統(tǒng)應(yīng)用在校園內(nèi)的人工湖泊進(jìn)行無人船與地面站的數(shù)據(jù)通信測試和視頻傳輸測試。無人船測試前，需打開電源，進(jìn)行30 s的冷啟動(dòng)，完成自身的測量傳感器啟動(dòng)和自檢，并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸至地面站。若有數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤或超出閾值，需對相應(yīng)傳感器進(jìn)行檢查和排除故障后，才可執(zhí)行任務(wù)。測試環(huán)境現(xiàn)場圖如圖4。

圖4 測試環(huán)境現(xiàn)場圖

4.1 數(shù)據(jù)傳輸通信和定位測試

為了驗(yàn)證無人船與地面站系統(tǒng)之間通信是否正常，并且數(shù)據(jù)是否進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，現(xiàn)對數(shù)據(jù)傳輸通信和定位進(jìn)行測試。

通過兩次定位測試數(shù)據(jù)，得到兩個(gè)位置的經(jīng)緯度：A1(29.535126881709, 106.606543064117)

A2(29.5351268817, 106.6065323352)

B1(29.535024200366, 106.606537699699)

B2(29.5350195330, 106.6065376996)。

根據(jù)無人船和地面站之間距離計(jì)算公式，A1、A2之間距離為0.5 m，B1、B2之間距離為1 m，理論定位精度誤差小于2.5 m。

經(jīng)過測試表明，本系統(tǒng)能在正常的2.4 G頻段下，將數(shù)據(jù)有效的傳至地面站并顯示經(jīng)度、緯度、速度、加速度、磁偏角、障礙物距離，地面站也可將任務(wù)航線點(diǎn)發(fā)送至無人船端，實(shí)現(xiàn)雙向通信，延時(shí)0.1~3.2 ms。地面站系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示界面如圖5所示。

圖5 地面站系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示界面

4.2 視頻傳輸測試

視頻傳輸測試要測試延時(shí)和清晰度是否滿足要求。視頻延時(shí)傳輸測試時(shí)，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)選用5945 MHz頻率，發(fā)射機(jī)蘑菇天線置于無人船船身的最高處，離船面1 m高，地面站接收機(jī)平板天線置于地面1~2 m高。用攝像頭拍攝毫秒時(shí)鐘，經(jīng)過傳輸后在電腦界面上顯示時(shí)間為1，此時(shí)毫秒時(shí)鐘時(shí)間為2，延時(shí)時(shí)差=2-1。經(jīng)過20次測試，延時(shí)時(shí)差平均為106.5 ms。視頻傳輸部延時(shí)測試如表2。

4.3 通信方式切換測試

無人船在行進(jìn)過程中，要保證通信方式的使用正常。需要完成對通信方式切換時(shí)所產(chǎn)生延時(shí)的測試，即五公里以內(nèi)通信和五公里之外通信兩種通信方式切換的延時(shí)測試。在五公里以內(nèi)通信方式下，用攝像頭拍攝毫秒時(shí)鐘，通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊“五公里之外通信”按鈕切換至五公里之外通信方式。地面站系統(tǒng)通信方式切換測試如圖6所示，測試結(jié)果延時(shí)為94 ms。

表2 視頻傳輸部延時(shí)測試

圖6 地面站系統(tǒng)通信方式切換測試

5 結(jié)束語

本文提出了一種根據(jù)距離的不同（以五公里為界限）而選擇不同的通信方式方案，彌補(bǔ)了受通信距離影響的弊端，實(shí)現(xiàn)了無人船地面站系統(tǒng)能夠?qū)o人船狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，包括地面站系統(tǒng)時(shí)間、無人船運(yùn)行時(shí)間、經(jīng)緯度、加速度、角速度、磁場力、GPS航向、GPS地速、偏航角、工控機(jī)溫度、電池能源板溫度、超聲波傳感器測量的障礙物距離的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并實(shí)時(shí)對無人船周圍環(huán)境進(jìn)行視頻監(jiān)控，并完成了數(shù)據(jù)傳輸通信和視頻傳輸測試。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無人船與地面站進(jìn)行穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信、視頻傳輸延時(shí)非常小，并可靠的完成了無人船航行狀態(tài)監(jiān)測、顯示和報(bào)警等功能，系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)合理，交互界面良好、運(yùn)行可靠，實(shí)用性高。本地面站系統(tǒng)軟件還有不足之處，比如數(shù)據(jù)可以圖形化顯示，這是后續(xù)可以有待優(yōu)化的。

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Design of a Communication Control terminal for a Small Unmanned Surface Vehicle Ground Station

Lyu Xiafu, Cheng Qizhong, Lin Zheng

（Chongqing University of Posts and Telecommunications, Key Laboratory of Industrial Internet of Things & Network Control, Ministry of Education, Chongqing 400065, China）

U674.83; TP273

A

1003-4862（2019）08-0001-0 4

2019-01-23

國家自然科學(xué)基金(61275077)，重慶市基礎(chǔ)與前沿研究項(xiàng)目(2015jcyjA40024)

呂霞付（1966-），男，教授，博士。研究方向：智能儀器儀表；

程啟忠（1994-），男，碩士研究生。研究方向：智能機(jī)器人。E-mail：775473612@qq.com

林政（1995-），男，碩士研究生，研究方向：深度學(xué)習(xí)。