一种小型无人船地面站通信控制端设计

吕霞付，程啟忠，林 政

一种小型无人船地面站通信控制端设计

吕霞付，程啟忠，林 政

（重庆邮电大学 工业互联网与网络化控制教育部重点实验室，重庆 400065）

为了解决无人船和地面站之间的通信受距离的影响，并且地面站人机交互控制软件功能的缺失等问题，设计一种采用两种通信单元的、交互界面更完善的地面站系统。根据无人船和地面站距离的不同而采用不同通信单元，以保证无人船自身的状态数据以及周围环境的视频可以正常和稳定地传输到地面站，并对回传的数据进行检测和故障分析，在优化的人机交互界面中显示和播放,视频延时平均为106.5 ms，使得用户可实时监控无人船。通过测试，该地面站系统设计合理、运行可靠。

状态监测 视频监控 人机交互 通信方式 地面站

0 引言

将无人系统应用在船艇的研究已成为国内外的热点[1]。无人船（Unmanned Surface Vehicle，简称USV）是一种可在各种水域环境下、能够依靠自主方式在水面上航行或执行任务的无人化、智能化移动平台。包括无人船在内的无人设备，他们都离不开地面站的指挥和控制，地面站是无人设备系统的直观反映[2]。与无人船以无线通信方式的人机交互的控制端[3]，则要能够满足用户使用无人船的需求，并且可以实现对无人船实时管控操作。其中，文献[4]能够实时对无人船船身的速度、偏航角、位置信息、障碍物距离、电池电量等状态进行监测，但设计单一且兼容性差；文献[5]可在地面站系统上规划无人船任务航线，使得无人船按既定的目标位置航行并实时返回无人船的位置信息，做到位置跟踪，但通信距离短；文献[6]设计的地面站能实时监控无人船周围环境，但其视频监控延时长、费用贵；文献[7]设计地面站软件界面可以完成人机交互的过程，但其人机交互软件功能有待完善；最后，当无人船遇到紧急情况，使用者还可通过遥控器对无人船进行控制。迫于实际应用的需求，本文设计和开发了一套弥补了通信距离短的无人船地面站系统，它是一个集航线规划任务、航迹追踪、状态监测、视频监控以及紧急遥控辅助等功能于一体的综合人机交互系统。

1 地面站系统总体组成和设计

地面站系统主要由通信模块、便携式计算机、人机交互控制软件和辅助遥控器组成。

地面站与无人船通信，可接收到无人船的环境状态数据和视频信息，也可向无人船发送航线计划或任务信息和遥控器辅助控制。通信模块根据无人船和地面站之间距离的大小，分为五公里以内通信单元和五公里之外通信单元两种通信方式。其中五公里以内通信方式不需要附加费用，由2.4 G频段数传模块和5.8 G频段视频模块组成；而五公里之外通信单元采用4 G频段视频和数据通信模块。当地面站与无人船之间距离超过五公里或五公里以内通信单元出现故障时，可自动切换至五公里之外通信单元，但需要附加流量费用。无人船地面站系统总体结构图如图1所示。

图1 无人船地面站系统总体结构图

无人船执行任务前需要60 s的启动自检，此时将地面站的经纬度坐标发送给无人船，并记录G0（latX0，lngY0）。当无人船行驶到某点Gx（latX，lngY）时，根据无人船和地面站之间距离计算公式：

式中：为地球的半径6378137 m。

2 地面站系统硬件平台

地面站系统硬件主要由2.4 G数传模块、5.8 G视频模块、便携式计算机、4 G通信模块和433 M遥控器组成。

2.1 五公里以内通信单元

五公里以内通信单元包括2.4 G数传模块和5.8 G视频模块。其中2.4 G数传模块选用支持LORA和 FLRC调制机制的 E28-2G4M20S射频收发模块，理论通信距离为6000 m，并通过TTL转RS232模块与便携式计算机的USB接口相连。5.8 G视频模块由发射机和接收机组成，发射机置于无人船上，接收机通信接口插入便携式计算机的USB接口。发射机模块选用Turbowing-TX-2w发射机和FATSHARK蘑菇天线，地面站接收机模块选用Turbowing-RX-2w接收机和平板天线，工作频率5362~5945 MHz，理论距离可达5000~8400 m。

2.2 五公里之外通信单元

五公里之外通信单元选用4G通信模块USR-LTE-7S4，实现地面站便携式计算机串口到运营商网络的双向数据传输。五公里之外通信单元功能结构图如图2所示。

图2 五公里之外通信单元功能结构图

2.3 便携式计算机

地面站与无人船主要的人机交互是通过上位机软件实现的，可直观地反映无人船的状态，可进行视频监控无人船的四周环境。采用笔记本电脑，方便携带。

2.4 辅助遥控器

地面站还要包括遥控模块，用户可以通过在地面站便携式计算机的视频监控播放界面，观看摄像头拍摄的画面，通过手动遥控操作，必要时可远程对无人船进行控制。采用一款LORA扩频的AS32-TTL-1W工业级无线数传模块作为433M频段无线遥控器。

3 软件设计和通信协议

3.1 软件设计

为了方便用户更加直观地了解无人船的情况，本文基于Microsoft visual studio应用程序开发环境、运用C#编程语言开发了一款地面站人机交互控制软件，该软件能够在Windows XP、Windows 7/8/10系统下运行。

地面站系统的人机交互界面包括电子地面界面、数据显示界面、故障警告界面、视频监控播放界面。地面站系统人机交互界面如图3所示。

电子地面界面可以加载Google、Yahoo!、 Bing等地图，并实现电子地图的基本功能，如拖拽、缩放、经纬度定位等，双击鼠标即可设定航点，鼠标右键即可对该航点进行删除、拖动等操作，并可实时显示无人船的航行轨迹。电子地图界面的实现是基于GMap.NET控件，成功加载地图后，首先声明一个GMapOverlay对象覆盖在地图上，接下来的所有操作是在该对象上进行的。GMapOverlay对象包含三个比较关键的集合：Markers、Routes和Polygons。通常用Markers来标记地图上某点，用Routes集合来记录航行路径，用Polygons集合可以完成对地图区域的选择。

数据显示界面能够清晰地向用户展示无人船船体的航行状态等数据，包括地面站系统时间、无人船运行时间、经纬度、加速度、角速度、磁场力、GPS航向、GPS地速、偏航角、工控机温度、电池能源板温度、超声波传感器测量的障碍物距离、电池电量，将以数字的形式显示数据信息，以便能够及时获取状态信息并对无人船检测或及时调整。

故障警告界面将以红色字体的显示形式，提醒用户某传感器模块出现超出设定阈值的错误，及时反映相关信息并做出调整。当工控机温度和电池能源板温度超过60℃，需要对无人船进行降温处理。

视频监控播放界面可以实时播放无人船传回的摄像头拍摄画面，并可以将某段视频保存，以供回看。在Windows下基于流媒体处理的开发包DirectShow实现多种多样的视频处理需求，首先初始化并创建一个Filter Graph，从com对象中查询特定的视频数据进行过滤器Filter，接入接口MediaControl，然后在播放视频画面Graph的同时，在本地创建该视频画面用于保存。

图3 地面站系统人机交互界面

3.2 通信协议

地面站系统的2.4G数传模块与无人船之间数据通信协议格式如表1所示，对数据进行打包，每包数据32个字节，由包头、包的序号、数据段、校验和、包尾组成，其中包头为数据固定为0x55（1个字节），包的序号为数值（1个字节），表1中数据段由要传输的7个数值组成（28个字节），校验和为前面30个字节相加后与0xFF相与得到的值（1个字节），包尾为数据固定为0xFE（1个字节）。

表1 地面站系统与无人船数传通信协议

4 地面站系统的实现和测试

将本地面站系统应用在校园内的人工湖泊进行无人船与地面站的数据通信测试和视频传输测试。无人船测试前，需打开电源，进行30 s的冷启动，完成自身的测量传感器启动和自检，并实时将数据传输至地面站。若有数据发生错误或超出阈值，需对相应传感器进行检查和排除故障后，才可执行任务。测试环境现场图如图4。

图4 测试环境现场图

4.1 数据传输通信和定位测试

为了验证无人船与地面站系统之间通信是否正常，并且数据是否进行动态更新，现对数据传输通信和定位进行测试。

通过两次定位测试数据，得到两个位置的经纬度：A1(29.535126881709, 106.606543064117)

A2(29.5351268817, 106.6065323352)

B1(29.535024200366, 106.606537699699)

B2(29.5350195330, 106.6065376996)。

根据无人船和地面站之间距离计算公式，A1、A2之间距离为0.5 m，B1、B2之间距离为1 m，理论定位精度误差小于2.5 m。

经过测试表明，本系统能在正常的2.4 G频段下，将数据有效的传至地面站并显示经度、纬度、速度、加速度、磁偏角、障碍物距离，地面站也可将任务航线点发送至无人船端，实现双向通信，延时0.1~3.2 ms。地面站系统数据显示界面如图5所示。

图5 地面站系统数据显示界面

4.2 视频传输测试

视频传输测试要测试延时和清晰度是否满足要求。视频延时传输测试时，发射机和接收机选用5945 MHz频率，发射机蘑菇天线置于无人船船身的最高处，离船面1 m高，地面站接收机平板天线置于地面1~2 m高。用摄像头拍摄毫秒时钟，经过传输后在电脑界面上显示时间为1，此时毫秒时钟时间为2，延时时差=2-1。经过20次测试，延时时差平均为106.5 ms。视频传输部延时测试如表2。

4.3 通信方式切换测试

无人船在行进过程中，要保证通信方式的使用正常。需要完成对通信方式切换时所产生延时的测试，即五公里以内通信和五公里之外通信两种通信方式切换的延时测试。在五公里以内通信方式下，用摄像头拍摄毫秒时钟，通过鼠标点击“五公里之外通信”按钮切换至五公里之外通信方式。地面站系统通信方式切换测试如图6所示，测试结果延时为94 ms。

表2 视频传输部延时测试

图6 地面站系统通信方式切换测试

5 结束语

本文提出了一种根据距离的不同（以五公里为界限）而选择不同的通信方式方案，弥补了受通信距离影响的弊端，实现了无人船地面站系统能够对无人船状态数据进行监测，包括地面站系统时间、无人船运行时间、经纬度、加速度、角速度、磁场力、GPS航向、GPS地速、偏航角、工控机温度、电池能源板温度、超声波传感器测量的障碍物距离的实时监测，并实时对无人船周围环境进行视频监控，并完成了数据传输通信和视频传输测试。

实验结果表明，无人船与地面站进行稳定的数据通信、视频传输延时非常小，并可靠的完成了无人船航行状态监测、显示和报警等功能，系统的架构设计合理，交互界面良好、运行可靠，实用性高。本地面站系统软件还有不足之处，比如数据可以图形化显示，这是后续可以有待优化的。

[1] 张树凯, 刘正江, 张显库, 刘玉. 无人船艇的发展及展望[J]. 世界海运, 2015, 38(09): 29-36.

[2] 卢艳军, 刘季为, 张晓东. 无人机地面站发展的分析研究[J]. 沈阳航空航天大学学报, 2014, 31(03): 60-64.

[3] 王卫星, 高奕龙, 陈彬彬等. 无人驾驶自动导航水质监测船[J]. 信息技术与信息化, 2014(05): 36-38.

[4] 葛荣, 乔大雷, 张超. 基于Android的无人船地面站控制和监测系统设计[J]. 现代信息科技, 2018, 2(09): 177-178+180.

[5] 马诗聪, 刘吉桃. 一种基于自主航行的无人水面测量船的研制[J]. 江苏船舶, 2016, 33(03): 6-8+5.

[6] 赖俊委, 岑佳潼. 基于物联网通信技术的水质检测无人船[J]. 通信电源技术, 2018, 35(02): 188-189.

[7] 杨青, 赵锋, 李阳. 基于C#的无人机地面站软件设计[J]. 电子质量, 2017(05): 48-51+56.

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

国家自然科学基金(61275077)，重庆市基础与前沿研究项目(2015jcyjA40024)

吕霞付（1966-），男，教授，博士。研究方向：智能仪器仪表；

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

林政（1995-），男，硕士研究生，研究方向：深度学习。