无人作业船远程操控系统的电气设计

无人作业船远程操控系统的电气设计

赖武光

深圳市铁检科技有限公司，广东  深圳  518054

摘 要  针对作业船的运行场景及操控需求，给出了无人作业船远程操控系统的整体设计方案，同时对船侧测控终端、岸侧遥控主机及无线传输模块展开了详细设计。

关键词：无人船；远程操控；无线传输

1前言

常见的作业船需要配备驾驶员、作业员上船操作，一般通过油料驱动，人工识别作业环境、作业对象，人力成本较高，工作强度大效率低，且作业过程依赖个人经验、主观性较强。因此亟待开发一种新型的作业船操控系统，实现电力驱动、船上无人化设计，利于船体小型化，降低阻力，节约能耗，同时避免人员上船存在的水上安全隐患，通过远程操控、环境动态感知、对象智能识别、自动作业控制，降低人力成本、提高作业效率。

2系统设计

2.1 系统概述

无人作业船远程操控系统（以下简称系统或无人船远控系统）运作过程中，不需要工作人员上船，采用远程方式进行操控。系统通过船上相机监视船体运行环境；通过声纳、水下相机感知水下环境，识别作业对象及状态；通过PLC控制各执行机构动作；通过大容量高速无线传输通道，实现船端、岸端无线数据传输。由于作业场景的特殊性，对操控系统的稳定性、可靠性、便捷性有较高要求。

2.2 整体设计

系统由船侧的测控终端和岸侧的遥控主机两部分组成，船端和岸端通过高速无线通道传输数据，系统结构如下图所示。

图1 系统结构

船侧包括前端感知装置、测控设备、无线传输设备及电源模块：

1)前端感知装置：由船头相机、水下相机和声纳组成，用于感知无人船运行环境、水下环境。

2)测控设备：核心为PLC，用于控制船体推进器动作，同时检测各设备状态，通过无线与岸上遥控主机通讯。

3)无线传输设备：包括图传设备和无线控制模块，图像设备主要用于传输大容量图像数据，同时也传输操控数据，无线控制模块用于传输操控数据，操控数据具备冗余传输能力。

4)电源模块：大容量动力锂电池及配套的变压器为推进器及船上设备提供电源，可连续工作8小时以上。

岸侧遥控主机为一台手持操作台。操作台面板安装遥控按钮及摇杆，远程操控无人船运行，如前进、后退、刀具位置等，并通过指示灯指示船的运行状态。操作台同时集成一台平板电脑，用于查看船上图像，同时也监视各设备运行状态。

2.3 船侧测控终端设计

2.3.1 基本原则

1)主机安装在无人船上，优先选择船级工业级设备

2)遥控作业，系统操作应简单可靠

3)空间有限，设计应紧凑

4)室外安装，考虑防水、防腐设计

5)应考虑晃动、湿气、阳光、风速、电磁干扰等影响，具有抗干扰措施

2.3.2 总体设计

测控终端主要完成无人船运行控制、状态监测等功能，整体结构如下图。

图2 测控终端结构

测控终端各设备集成在一个防护箱内，PLC各I/O口用于控制无人船行驶、各执行机构如提刀器动作及监视设备运行状态。测距装置用于测量执行机构运行位置。箱内内置一台6口POE交换机，连接摄像机、HDMI采集卡和PLC，HDMI采集卡与声纳探测器连接。交换机的WLAN接口连接无线收发模块，通过无线方式将数据发送到岸边控制主机。

2.3.3 结构与布局设计

机箱采用金属外壳，紧凑一体化设计，IP67防护等级。主机箱内部带一块安装底板，便于设备安装。PLC与通信模块置于一侧，电源与继电器模块置于另一侧，各设备应预留接线空间，设备布局如下所示：

图3 测控终端设备布局

2.3.4 电气设计

主机箱体内部电气接线如下图所示。

图4 测控终端电气图

2.3.5 主要技术指标

接口：5路RJ45、1路HDMI、1路433M/5.8G多频段无线传输、9路干接点/湿接点、1路脉冲输入、2路模拟量输入、4路模拟量输出。

2.4 岸侧遥控主机设计

2.4.1 基本原则

1)户外操作，携带方便

2)远距遥控作业，操作应简单可靠

3)大容量电池模块，满足全天工作

4)抗震动，抗干扰，高可靠性

2.4.2 总体设计

遥控主机样式为一个手提式防护操控箱。箱体内部操控面板设计按钮、遥杆、指示灯，用于控制无人船行驶及执行机构动作。在箱体开盖侧放置平板电脑，用于显示视频监视画面、电池状态，配置运行参数。操作箱内部各设备由内置锂电池供电。

图5 岸侧主机设计

2.4.3 主要技术指标

控制方式：双遥杆，按钮，触摸屏

遥控距离：不小于3km无遮挡

2.5 无线传输设计

2.5.1 传输带宽测算

无人船远控系统需要将将船上的视频、声纳、测控信号等数据通过无线方式，传输到岸边的遥控主机。传输距离3km以内，可能在岸边有水草、小树遮挡，传输信号包括2路下行高清视频、1路下行声纳图像、一组上下行控制信号。传输容量计算：

单路400万像素视频，分辨率2560 × 1440，帧率25fps，H.265编码码流约4Mbps，如帧率采用20fps，则码流约为3Mbps。

声纳图像，分辨率1280 × 800，原始接口为HDMI，版本不详，以H.264视频采样编码，帧率转为25fps，则码率为2Mpbs。

测控信号为数字量，数据量小，带宽要求低，以2kbps计算。

总传输容量约为：2*4 + 1*2 + 0.2 = 10.2Mbps

2.5.2 无线设备选型

考虑以上应用场景，本系统需要传输的数据量大，传输距离远，可靠性要求高。设计两路传输通道，一路传输视频与测控信号，另一路仅传输测控信号。视频采用工业级5.8GHz室外基站模块，传输容量大。测控信号采用433MHz无线模块，搞干扰强，传输距离远。

为确保无人船不失控，提高传输的可靠性，测控信号采用冗余控制设计，正常通过面板按钮经433MHz通道控制，在此失效状态下，通过平板经5.8GHz通道控制。

3总结

无人作业船远程操控系统根据实际需要及行业现状而设计，针对目前操控系统存在的不足，提出改进方法，可以整体提升作业船的人员安全，降低成本，减轻工作强度，提升作业效率，具有较好的现实意义，对未来无人作业船的设计也具有一定的指导作用。

参考文献
[1] 无人机无线充电系统的研究与开发. 周松涛;何泽文;马奔.中国新通信,2018

[2] 远程控制技术在电力系统自动化中的应用[J]. 吴文涛.科技创新与应用,2018(35)