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                    無人艇人機交互系統的研發與可性行

                    添加時間:2020/07/18 來源:海南大學 作者:彭潛
                    通過引入電子海圖,解決了普 通地圖在海洋區域信息缺失的問題,從而使無人艇獲得靜態已知的海上風險,以提升無人艇的安全性。
                    以下為本篇論文正文:

                    摘 要

                      隨著無人艇技術的快速發展,無人艇人機交互系統不可或缺。本文開展了基于電子海圖無人艇人機交互系統設計與開發工作。通過引入電子海圖,解決了普 通地圖在海洋區域信息缺失的問題,從而使無人艇獲得靜態已知的海上風險,以提升無人艇的安全性。內容主要分為以下方面:

                     。1)針對無人艇人機交互系統提出了設計方案。首先通過分析該系統的功能及性能需求,設計了系統整體架構;其次將無人艇人機交互系統分為幾個功能模塊;最后針對每個模塊完成相關設計。

                     。2)基于 S-57 海圖數據標準實現了海圖數據的讀取。首先利用 GDAL/OGR讀取 S-57 海圖數據的基礎上,進行海圖物標的匹配;其次從查找表中獲取匹配到的符號描述指令,進行解析;最后在繪制海圖符號過程中,利用墨卡托投影坐標轉換和屏幕坐標轉換,完成海圖符號的繪制中的坐標轉換。

                     。3)基于 VS2017 平臺,利用 C#和 WPF 框架完成了無人艇人機交互系統的開發。首先在系統界面上添加自定義控件、導航區以及顯示區,完成系統界面的開發;其次在后臺邏輯層,給界面控件添加路由事件,完成控制命令的下發和反饋信息的解析;最后通過 TCP/IP 的通信協議,完成了通信的連接。通過無人艇實地下海測試,驗證了無人艇人機交互系統的可行性。

                      關鍵詞:人機交互;軟件系統;無人艇;電子海圖

                    無人艇人機交互系統

                    ABSTRACT

                      With the rapid development of unmanned craft technology, the man-machine interaction system of unmanned craft is indispensable. In this paper, the design and development of man-machine interaction system of unmanned craft based on electronic chart are carried out. Through the introduction of electronic chart, the problem of information loss in the ocean area of ordinary map is solved, so that the unmanned ship can obtain the static known maritime risk, so as to improve the safety of the unmanned ship. The content is mainly pided into the following aspects:

                      I. This paper presents a design scheme for man-machine interaction system of unmanned craft. Firstly, by analyzing the function and performance requirements of the system, the overall architecture of the system is designed. Secondly, the man-machine interaction system is pided into several functional modules. Finally, relevant design is completed for each module.

                      II. The reading of chart data is realized based on s-57 chart data standard. Firstly, on the basis of reading s-57 chart data by GDAL/OGR, object object object matching is carried out. Secondly, the matching symbol description instruction is obtained from the lookup table and analyzed. Finally, in the process of drawing chart symbols, Mercator projection coordinate conversion and screen coordinate conversion are used to complete the coordinate conversion in the drawing of chart symbols.

                      III. Based on VS2017 platform, the man-machine interaction system of unmanned vehicle was developed by using C# and WPF framework. First, add custom controls, buttons and display blocks on the system interface to complete the development of the system interface. Secondly,at the background logic layer, routing events are added to the interface controls to complete the issuing of control commands and the analysis of feedback information. Finally, through the TCP/IP communication protocol, the communication connection is completed. The feasibility of man-machine interaction system is verified by field test of unmanned craft.

                      Keywords: Human Computer Interaction; Software System; USV; Electronic chart

                    目 錄

                      1 緒論

                      1.1 選題背景及意義

                      隨著無人艇(Unmanned Surface Vehicle, USV)技術的快速發展,越來越多領域開始進行無人艇方面的研究,無人艇承擔了重要的軍事任務(李家良,2012)和民事應用,比如海域的偵察、日常海域的巡邏等方面(徐玉如等,2006)。

                      無人艇技術主要分為硬件、通信和軟件三個部分,三個部分都是整個系統不可或缺的部分。硬件部分為無人艇自身以及搭載在無人艇上的設備;通信部分為無人艇硬件部分和軟件部分之間信息的互通部分;軟件部分為無人艇的人機交互軟件系統,人機交互(Human-Computer Interation, HCI)主要是通過一個有效的輸入和輸出手段在人與機器之間完成各種信息的交互過程。目前的輸入主要是在智能設備上以觸摸點控的方式來完成,通過觸摸屏幕來完成人機交互,無人艇的人機交互系統也使用點觸觸控的方式完成用戶的控制操作,然后實時信息的回傳顯示完成信息交互,在后臺邏輯層完成數據的處理(Grudin et al.,2017)。通過軟件部分對無人艇進行各種任務的操控并顯示信息的反饋,因此設計并實現一個人性化、智能化的無人艇人機交互系統是至關重要的。目前所知的無人艇人機交互系統主要都是搭載在大型的母船或者陸地上,通過無線的通信方式與無人艇進行各種數據信息的交互。

                      本文開展了基于電子海圖的無人艇人機交互系統設計與開發工作。首先無人艇的人機交互系統通過對無人艇的遠程操控,提升無人艇交互性;其次系統顯示的無人艇姿態信息以及回傳信息,提升無人艇的自主性。最后為了解決普通地圖在海洋區域信息缺失的問題,電子海圖作為一種用數字方式描述海洋具體情況的地圖,包含大量具體并確切的海洋環境信息,比如淺灘、海岸線、港口、沉船、燈塔、水深等信息,能給系統提供較為全面的靜態地圖信息。系統引入電子海圖(Electionic Nautical/Navigation Chart, ENC)使無人艇能夠獲得靜態已知的海上風險,提升無人艇任務的安全性。

                      通過相關研究內容,本論文設計開發實現的無人艇人機交互系統為無人艇的各項軍事任務和民事應用做技術支撐。

                      1.2 相關內容國內外研究

                      發展人機交互系統存在于我們生活中的方方面面,比如汽車里觸控屏、無人機的地面控制站、智能家居控制面板等(Wobbrock J O et al.,2016),系統主要針對的是人與機器之間信息交互的過程。

                      東南大學的王海豐通過汽車交互界面發展現狀和人機交互設計理念,設計了中控觸摸屏的交互視覺界面,做到了可以控制車的天窗、車門、車窗等等功能,并且利用車身的傳感器可以對周圍障礙物進行報警。交互系統 2016 的設計讓操作者的操作感受得到進一步的提升(王海豐,2017)。圖 1 為汽車中控屏上的人機交互界面。

                      Cavett D 等人由于無人機在使用過程中存在認知、判斷、決策和戰術理解等方面的局限性,設計了無人機的人機交互界面,以改善操作人員與無人機之間的交互和通信聯系。利用 MATLAB 的圖形用戶界面功能并將衛星工具套件軟件嵌入到圖形用戶界面中作為仿真環境。該交互系統將減少操作員的認知工作量,以更好地了解環境狀況,提高無人機的任務效率(Cavett D,2007)。

                      在二十世紀九十年代,美國機器人科技工程(Robotek Engineering)公司和第三半球(Third Hemisphere Interactive)公司聯合開發了"羅伯斯基"(Roboski)USV. Roboski 是一種可遠程遙控、低成本的水面靶船,美國海軍將其應用于近海海域對抗訓練。通過遙控 Roboski 可以進行激烈的海上對抗演習,而有人船則被禁止進行這種程度的演習。因此,Roboski 是目前美軍直升機或水面艇火力演習的低成本解決方案(盧艷爽,2010)。

                      Fausto Ferreira 等人設計了一個增強操作員和無人艇之間交互能力的人機交互系統如圖 2,通過此系統可以提高無人艇在任務和多傳感設備方面的有效性(Fausto Ferreira et al., 2012)。但是其設計的人機交互系統體積和重量會在實際任務中帶來不便。

                      2019 年,法國海事學院設計并實現了一個基于網頁的無人艇交互系統,用戶通過本地網絡的計算機上的網頁連接到系統,登錄頁面控制用戶的訪問,連接后,將從用戶數據庫中檢索角色,登錄后,系統首先顯示的視圖是電子海圖的簡化版本,可以手動控制、設置預定路線等功能,但是基于網頁的方式對于無人艇的控制有比較大的不可控制的隱患。該系統的交互界面如圖 3 所示。

                      葛榮等人在安卓平臺上規劃了具有路徑設置、地圖定位與顯示、數據回傳等功能模塊的無人艇地面站控制和監控的一個人機交互系統,圖 4 為該系統的交互界面(葛榮,2018)。此界面未能將控件與地圖進行很好的融合,另外在需要手動控制無人艇航行姿態時,沒有給到用戶一個良好的操作感受。

                      王銀花等人設計了一個Windows系統的電子海圖顯示系統的總體設計框架,采用 VB 語言和 Map Objects 控件初步實現電子海圖顯示系統的各種功能,顯示海圖、地圖縮放等等(王銀花,2017)。

                      華南理工的蔡曉芝設計了一個安卓平臺的無人艇監控系統,此系統能夠實現海圖顯示、地圖定位、數據通信等功能,對于電子海圖的顯示,采用的是插件式電子海圖引入方式,此方式的弊端在于海圖的讀取依賴于插件的解析,不能以自身需求對海圖進行分層顯示。圖 5 是該系統的人機交互界面(蔡曉芝,2019)。

                      有關電子海圖的發展,國外有 ATLAS 和 7CS、OFFSHORE 等著名公司在研究電子海圖系統,而國內起步較晚,發展較慢。近年來我國的中國海事局也逐步開始電子海圖系統方面的研究,國內有專門的公司發展電子海圖系統,如意瑪軟件等,他們為其他研究海圖的系統提供海圖解析接口。市面上大多電子海圖系統都是采用的插片式的方式,如圖 6 所示,插片式就是將電子海圖導入一個海圖解析系統生成一個可以被應用平臺調用的文件格式。圖中的 SMWU 文件為 ENCDesigner 軟件導出的可識別文件。

                      大連海事有人用 Android 平臺,設計并實現了一種移動電子海圖系統。該系統對 S-57 數據進行解析和轉換,進行坐標投影與坐標轉換、該系統在船舶導航、船舶監控等領域具有廣闊的應用前景(李超,2013)。

                      以上所訴發展現狀主要存在以下不足:(1)在需要手動控制時,沒有給到用戶一個良好的操作感受;(2)此界面未能將控件與地圖進行很好的融合;(3)人機交互系統體積和重量都會在實際任務中帶來不便;(4)基于網頁的方式對于無人艇的控制有比較大的不可控制的隱患;(5)采用了插片式電子海圖引入方式。

                      1.3 論文的主要內容

                      本文主要的研究內容為設計并實現基于電子海圖的無人艇人機交互系統,通過對進行需求功能分析,設計了基于電子海圖的無人艇交互系統。系統內容主要分為以下方面:

                     。1)對無人艇人機交互系統提出了設計方案,通過分析人機交互功能及性能需求,提出了系統整體架構,將無人艇人機交互分為五個功能模塊:地圖模塊、操控模塊、數據可視模塊、通信模塊和視頻模塊,并對每個模塊提出了相應的功能設計。

                     。2)S-57 電子海圖的讀取顯示。主要針對 S-57 標準,首先通過初始化五個S-52 標準符號庫,然后利用 GDAL/OGR 讀取 S-57 海圖數據的基礎上,進行海圖物標的匹配;其次從查找表中獲取匹配到的符號描述指令,進行解析;最后在繪制海圖符號過程中,利用墨卡托投影坐標轉換和屏幕坐標轉換,從而完成海圖符號的繪制。

                     。3)無人艇人機交互系統的實現:在 Visual2017 平臺上使用 C#語言和 WPF框架完成了無人艇人機交互系統的開發。首先在系統界面上添加自定義控件、按鈕以及顯示塊,完成系統界面的開發;其次在后臺邏輯層,給界面控件添加路由事件,完成控制命令的下發和反饋信息的解析;最后采用 TCP/IP 的連接方式,完成了通信的連接。通過無人艇實地下海測試,驗證了無人艇人機交互系統的有效性。

                      1.4 章節安排

                      本論文將研究內容分為五個章節進行介紹,每一章的簡要內容如下:

                      第 1 章:緒論。首先介紹了選題背景以及國內外有關人機交互系統的發展情況,論文主要研究內容,以及章節安排。

                      第 2 章:無人艇人機交互系統設計方案。從系統的功能需求和性能需求,設計了整體架構,并劃分了系統的功能模塊。

                      第 3 章:電子海圖的數據讀取。首先介紹了電子海圖的 S-57 標準。其次介 紹電子海圖讀取和顯示的操作過程,其中包含海圖坐標轉換。

                      第 4 章:無人艇人機交互系統各功能模塊的實現。依次介紹地圖模塊、導航模塊、控件模塊和通信模塊四個功能模塊的實現過程。 第 5 章:無人艇人機交互系統仿真測試,對無人艇人機交互系統的自動導航功能進行測試,驗證系統設計的有效性和可靠性。

                      第 6 章:總結與展望。



                      2 無人艇人機交互系統設計方案
                      2.1 人機交互系統需求分析
                      2.2 人機交互系統整體構架
                      2.2.1 系統層次架構
                      2.2.2 系統整體功能架構

                      2.3 系統功能設計
                      2.3.1 地圖模塊
                      2.3.2 操控模塊
                      2.3.3 數據可視
                      2.3.4 通信模塊
                      2.3.5 視頻模塊
                      2.4 本章小結

                      3 電子海圖的數據讀取
                      3.1 S-57 數據傳輸標準
                      3.2 電子海圖處理流程
                      3.2.1 初始化 S52 標準符號庫
                      3.2.2 讀取 S-57 海圖數據
                      3.2.3 海圖符號匹配
                      3.2.4 通過描述指令顯示符號
                      3.3 海圖坐標轉換
                      3.4 本章小結

                      4 無人艇人機交互系統功能實現
                      4.1 地圖模塊
                      4.1.1 地圖分層顯示
                      4.1.2 海圖漫游
                      4.2 操控模塊
                      4.2.1 手動控制
                      4.2.2 任務下發
                      4.3 數據可視化
                      4.4 通信模塊
                      4.5 本章小結

                      5 系統海上任務仿真測試
                      5.1 設定任務計劃
                      5.2 設定起終點
                      5.3 海圖環境建模
                      5.4 路徑規劃
                      5.5 生成路徑下發指令
                      5.6 本章小結

                      6 總結與展望

                      6.1 總結

                      在海洋無人艇發展領域,為了進一步提升無人艇交互系統的交互感受,本文開展了無人艇人機交互系統的設計與開發工作。針對當前普通平面地圖在海洋區域的信息比較空白的問題,系統引用了在海洋領域描繪信息比較全面的電子海圖作為地圖控件,解決了無人艇人機交互系統中無法確定無人艇在海洋周圍障礙物情況的問題,內容主要分為以下方面:

                     。1)針對當前無人艇和人機交互系統的發展現狀,對無人艇人機交互系統提出了設計方案,通過分析人機交互功能及性能需求,提出了系統整體架構,將無人艇人機交互分為四個功能模塊:地圖模塊、操控模塊、數據可視模塊和通信模塊,并對每個模塊提出了功能設計。

                     。2)基于 S57 海圖數據標準實現了海圖數據的讀取和顯示。首先利用GDAL/OGR 讀取 S57 海圖數據的基礎上,進行海圖物標的匹配;其次從查找表中獲取匹配到的符號描述指令,進行解析;最后在繪制海圖符號過程中,利用墨卡托投影坐標轉換和屏幕坐標轉換,從而完成海圖符號的繪制。

                     。3)在 Visual2017 平臺上使用 C#語言和 WPF 框架完成了無人艇人機交互系統的開發。首先在系統界面上添加自定義控件、按鈕以及顯示塊,完成系統界面的開發;其次在后臺邏輯層,給界面控件添加路由事件,完成控制命令的下發和反饋信息的解析;最后采用 TCP/IP 的連接方式,完成了通信的連接。通過無人艇實地下海測試,驗證了無人艇人機交互系統的有效性。

                      6.2 展望

                      無人艇人機交互系統在研究過程中,為團隊接下來在無人艇人機交互系統的研究上打下了堅實的基礎。由于時間和能力有限,本系統還存在以下不足:

                     。1)由于時間關系,本文僅實現了設計規劃的重要交互功能。

                     。2)自動導航功能還存在不足,本文只提到全局路徑規劃,在實時航行過程中,需要考慮靜態和動態兩種航行障礙,因此全局與局部算法結合研究是該系統進一步研究重點。

                     。3)應進一步發掘人機交互系統的功能,使無人艇操作功能更加全面化。

                      參考文獻
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                    致謝

                      時光荏苒,歲月如歌,碩士生活即將結束。經歷了課堂學習和項目比賽的忙 碌與充實,經歷了找工作的喧囂與坎坷,經歷了論文寫作的寧靜與思考,回顧碩士生活,對那些引導我、幫助我、激勵我的人,我心中充滿了感激。

                      首先要感謝的是我的導師任佳教授,從論文選題定題到寫作定稿,傾注了任老師大量的心血,幫我把握了論文的寫作方向,順利的完成了論文的寫作。在我攻讀碩士研究生期間,深深受益于任老師的關心、愛護和諄諄教導。我為能師從任老師而感到慶幸,導師淵博的學識、嚴謹的治學態度、崇高的敬業精神,必將在我未來的人生軌跡中起到指引方向的作用。然后還要感謝崔亞妮老師和張育老師,崔老師在論文的寫作過程中,從內容到格式部分給予了我許多指導與建議,張老師在論文方向上給予了有力的技術指導,在內容完成的過程中給予了我很大幫助。感謝三位老師給予我參與項目的機會,在參與項目的過程中學習到了許多,整個團隊的團結協作,調試過后下海測試的成功,在專業知識上收獲滿滿,也感受到了團隊的溫暖。謹在此表示衷心的感謝,感謝在碩士期間對我的幫助!

                      其次還要感謝團隊的小伙伴和好友對我的陪伴和幫助。感謝劉琨師兄和小戴師姐在學習生活中對我的幫助,我在你們身上學習到了做事的方法和仔細認真的態度,大到論文算法,小到生活瑣碎,你們給予了我無微不至的關心和學術上的支持;感謝智雯師姐和賈倩雯師姐陪伴和分享,你們會耐心的傾聽給出建議,讓我少走了很多彎路;感謝團隊小伙伴,華黎明、錢帆、唐立、李沛然、鄭斌、王成以及其他小伙伴們帶來的快樂和幫助,在我們共同的努力下,營造了一個團結、積極向上的團隊學習氛圍;感謝好友崔貝多的陪伴與傾聽。

                      最后要感謝我的家人,你們在我身后默默地關心和支持著我。因為你們的付出,我才能沒有后顧之憂的學習生活,你們是我求學路上的堅強后盾,為我排憂解難,你們對我無私的關心和照顧是我不斷前進的動力,我會繼續努力朝著目標前進。

                      碩士研究生三年的學習與生活是我人生道路上重要的一站,我十分慶幸遇到大家,感謝每一個幫助過我的人,希望大家能發展的越來越好!

                    (如您需要查看本篇畢業設計全文,請您聯系客服索。

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