基于單片機和模糊控制的浮標自動防碰撞系統(tǒng)

劉素花, 李思忍, 徐永平

(1. 青島理工大學, 山東 青島 266520; 2. 中國科學院 海洋研究所, 山東 青島 266071)

基于單片機和模糊控制的浮標自動防碰撞系統(tǒng)

劉素花1, 李思忍2, 徐永平2

(1. 青島理工大學, 山東 青島 266520; 2. 中國科學院 海洋研究所, 山東 青島 266071)

針對海洋觀測浮標易受過往船只碰撞及惡劣天氣的影響而損壞, 提出了基于單片機和模糊控制的浮標自動防碰撞系統(tǒng)。該系統(tǒng)以C8051F340單片機作為核心控制芯片, 設計了控制系統(tǒng)的軟硬件, 實現(xiàn)了信號的采集、處理、分析和傳送。以距離、風速信號及其變化量作為輸入變量, 建立了相應的模糊控制規(guī)則和控制算法, 設計了模糊控制器, 為浮標長期、安全運行提供了保證, 并為海洋測量儀器實現(xiàn)智能化控制奠定了基礎。

浮標; 防碰撞; 單片機; 模糊控制

海洋觀測儀器是海洋觀測的工具和手段, 作為海上現(xiàn)場觀測的傳統(tǒng)儀器, 海洋浮標在研究海洋和大氣的相互作用及全球氣候變化、預報全球性和地區(qū)性海洋災害、海洋污染監(jiān)測、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)真實性校驗、以及作為平臺用于水聲通訊和水下定位等方面發(fā)揮了重要作用[1]。但目前國內外大多數(shù)浮標都是在海面上漂浮或任其在海上漂流, 這樣一旦遇到大風大浪, 浮標就會丟失或者損壞, 不利于數(shù)據(jù)的采集, 而且現(xiàn)在提倡環(huán)保, 如若浮標丟失或損壞, 以至于不能正常收回, 就會對海洋造成越來越多的污染, 給海洋生態(tài)造成越來越多的危害。同時, 測量海氣交界面參數(shù)的搭載平臺由于位于海表面上, 若長時間錨泊在海表面上, 很容易受到海上過往交通工具和惡劣風浪的影響, 因此本系統(tǒng)的主要功能是能夠根據(jù)環(huán)境的變化自動避讓防碰撞, 自動檢測海上過往交通工具到自身的距離以及海上風浪的情況,在必要的時候, 自動下潛到水下一定深度(例如水下50 m), 這樣可以保證在不利于系統(tǒng)安全的因素出現(xiàn)時, 使系統(tǒng)及時潛伏避讓, 可有效地保證整套系統(tǒng)的安全性, 同時減小設備損壞或丟失給海洋帶來的污染。

1 防觸碰系統(tǒng)的總體設計

就目前而言, 在國內外各種海洋要素測量儀器的研究中, 防碰撞性能的應用還不多, 主要用于船舶航海[2,3], 自治式水下機器人和自治式水下航行

器[4]。本項研究是國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)

海洋環(huán)境立體監(jiān)測技術中節(jié)能型自治式多功能海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的一項研究內容。節(jié)能型自治式多功能海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)將定點錨泊潛標和浮標技術相結合, 并創(chuàng)新性地融進了節(jié)能技術, 具有良好的傳感器擴充功能, 可根據(jù)終端用戶的需要, 搭載不同的氣象、水文和水質等傳感器, 能夠測量海氣交界面的水文氣象參數(shù), 同時又能夠進行海水次表層水質參數(shù)的連續(xù)垂直剖面測量, 在有海上交通工具經(jīng)過或遇到惡劣的海面海況時, 系統(tǒng)能夠下潛到50 m的深度進行避讓。此套系統(tǒng)具有節(jié)省能源、可長期服役、多參數(shù)和連續(xù)剖面測量、自治性工作強的特點。它是一種獨創(chuàng)的, 海洋軍事、海洋研究和海上工程建設前期調查等急需的, 實用性極強的海上測量系統(tǒng)。系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示。

設計的浮標式搭載平臺自動防觸碰系統(tǒng)主要由信息收集、數(shù)據(jù)處理和行動決策三部分組成[5,6]。信息收集就是通過測距傳感器自動監(jiān)測海上過往交通工具的狀況和由水文氣象傳感器監(jiān)測海上風浪的情況。數(shù)據(jù)處理是通過采集到的數(shù)據(jù)與事先設定的條件進行態(tài)勢評估, 并將處理后的數(shù)據(jù)傳送到控制中心。行動決策就是控制中心發(fā)出命令, 確定浮標式搭載平臺下潛與否等情況。這樣可以保證在不利于系統(tǒng)安全的因素出現(xiàn)時, 使系統(tǒng)及時潛伏避讓。在此防觸碰系統(tǒng)的設計中, 建立合適的避碰模型, 選擇合適的控制方法, 進而設計合適的控制器, 是保證系統(tǒng)能夠實時避碰防損壞的關鍵。防觸碰系統(tǒng)硬件原理圖如圖2所示。

圖1 節(jié)能型自治式多功能海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結構示意圖Fig. 1 Scheme of the energy-conserving, automatic, multifunction marine environmental monitoring system

圖2 防觸碰系統(tǒng)硬件原理圖Fig. 2 Scheme of the anti-collision system

其工作過程為： 距離傳感器和環(huán)境氣象監(jiān)測儀輸出的信號通過串行收發(fā)模塊轉換成數(shù)字信號, 由單片機經(jīng)過相應的軟件算法把數(shù)字信號轉換成距離和風速值, 單片機將實測值與其內設距離、風速值相比較, 計算出偏差, 再調用模糊控制算法程序, 由模糊控制器輸出控制量, 從而驅動電機使浮標避讓。本設計中, 激光測距傳感器選用 Dimetix的 DLS-A15,其測程為 0.2～200 m, 測量精度達±1.5 mm, 采用串行接口方式; 環(huán)境氣象監(jiān)測儀采用美國R.MYoung公司的高精度、堅固耐用工業(yè)級氣象傳感器組成的EMM-03型環(huán)境監(jiān)測氣象儀, 可監(jiān)測風向、風速、空氣濕度、相對濕度、大氣壓力5個參數(shù); 串行收發(fā)模塊采用 MAX3223芯片。單片機選用 C8051F340。C8051F340設備是完全集成的混合信號片上微控制器, 具有片內上電復位、VDD監(jiān)視器、電源管理器、看門狗定時器和時鐘振蕩器(MCUs)。用戶軟件可以控制所有外設以及可以單獨地關閉任何一個或所有的外設以節(jié)約能源。驅動執(zhí)行單元主要通過直流電機的正反轉, 利用相應的機械傳動機構實現(xiàn)浮標搭載平臺的下潛、上浮。

2 系統(tǒng)模糊控制器的設計

傳統(tǒng)的避障控制策略(如人工勢場法、柵格法),由于需要精確的環(huán)境數(shù)學模型而不能滿足對象在非結構環(huán)境下實時避障的要求。模糊控制策略是建立在人類專家控制經(jīng)驗基礎之上的一種智能控制方法,在模糊控制策略中, 需要考慮控制器的輸入條件和輸出結果。模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的計算機智能控制。模糊控制系統(tǒng)是一種具有反饋的閉環(huán)自動控制系統(tǒng), 適用于被控過程沒有數(shù)學模型或很難建立精確數(shù)學模型的工業(yè)過程, 它是解決不確定系統(tǒng)控制的一種有效途徑。模糊控制系統(tǒng)有較強的魯棒性及抗干擾能力, 在控制過程中能大大減弱參數(shù)變化對控制效果的影響, 非常適合于非線性、時變及滯后系統(tǒng)的控制[7,8]。模糊控制的基本原理可由圖3表示。

隨著單片機技術的發(fā)展, 單片機性能在不斷提高, 可以完成復雜的控制。在模糊控制中專家的經(jīng)驗知識是一系列含有語言變量的條件語句和規(guī)則, 而模糊集合理論又能十分恰當?shù)乇磉_具有模糊性的語言變量和條件語句。將單片機與模糊集合理論相結合, 用模糊集合理論對語言變量模糊化, 再用模糊推理對系統(tǒng)的輸入狀態(tài)進行處理, 產(chǎn)生相應的控制策略, 以實現(xiàn)對那些難以建立數(shù)學模型的系統(tǒng)進行有效控制。

圖3 模糊控制器原理圖Fig. 3 Scheme of the fuzzy controller

本設計主要針對浮標工作環(huán)境存在的非線性、不確定性和時變性等特點, 采用了模糊控制的數(shù)學模型。在單片機上實現(xiàn)模糊控制一般采用3種方式：強度轉移方式、直接查表方式和公式計算方式。強度轉移方式是按模糊控制的極大-極小法進行推理。直接查表方式是通過離線計算, 得到一張模糊控制表并將控制表存放在計算機內存中的, 在控制應用過程中, 速度快實時性強。公式計算一般不適應于多參數(shù)的計算。

為了保證對監(jiān)測系統(tǒng)的實時控制, 控制算法采用Mamdani查表法。Mamdani查表法事先設計模糊控制響應表, 在軟件設計時只需將控制表事先置入內存中供實時查詢用。這樣, 單片機分時采樣各傳感器的信息, 數(shù)據(jù)經(jīng)過態(tài)勢評估, 判斷浮標此時是否存在危險, 如果浮標存在危險, 數(shù)據(jù)送入模糊控制器, 經(jīng)過模糊控制器后輸出的電壓信號直接驅動電機轉動, 使浮標下潛, 以達到自動避讓目的; 如果判斷出浮標安全, 則單片機繼續(xù)采集各傳感器的信息,繼續(xù)判斷。在浮標下潛過程中, 要不斷判斷浮標是否到達指定深度, 如果到達指定深度, 浮標停止下潛,等待危險結束; 如果浮標沒有到達指定深度, 浮標繼續(xù)下潛, 直到到達指定深度。當危險結束時, 浮標要上浮到水面, 繼續(xù)工作。

2.1 模糊控制器的結構

本系統(tǒng)中, 來自傳感器的信號有： 激光測距傳感器的距離信號、氣象監(jiān)測儀的風速信號、風向信號、溫度信號、大氣壓信號和雨量信號, 這些信號中只有距離信號和風速信號對本系統(tǒng)有意義, 因為距離和風速直接決定了浮標是否需要采取避讓動作。因此, 本系統(tǒng)設計了一個雙輸入單輸出的雙二維模糊控制器, 如圖4所示。

圖4 防觸碰模糊控制器的結構Fig. 4 Scheme of the fuzzy controller for anti-collision system

由圖 4： 本系統(tǒng)輸入變量選為障礙物(船舶等)到浮標的距離S及其一階導數(shù)S＇, 風速V及其一階導數(shù)V′。輸出變量選為電機電壓信號U。距離S的模糊子狀態(tài)為NsB(距離過小)、NsS(距離略小)、ZsO(零距離偏差)、PsS(距離略大)、PsB(距離過大); 風速V的模糊子狀態(tài)為NvB(風速過小)、NvS(風速略小)、ZvO(零風速偏差)、PvS(風速略大)、PvB(風速過大)。距離變化率：

風速變化率：

它們反映了現(xiàn)場狀態(tài)的距離偏差和風速偏差的變化方向。

輸入變量S,S＇和V,V＇的隸屬函數(shù)采用最常用的三角形, 輸出的隸屬函數(shù)可用單點的隸屬度函數(shù)。將距離、風速控制器的輸出狀態(tài)分為5個狀態(tài)子集,具體對應如下：U(1) (全電壓輸出驅動),U(3/4)(3/4電壓輸出驅動),U(1/2)(1/2電壓輸出驅動),U(1/4)(1/4電壓輸出驅動),U(0)(零電壓輸出驅動)。

2.2 模糊控制規(guī)則

當距離偏差為NsB時, 距離和設定的安全距離相差最大, 為使距離減到最小, 盡快消除偏差, 無論距離怎樣變化, 應使控制量增加較快, 所以模糊控制系統(tǒng)取較大的控制量, 以最快的速度避讓。當距離偏差為NsS或ZsO時, 主要工作為穩(wěn)定性問題, 為了防止超調, 使距離盡快穩(wěn)定(也就是盡快使浮標處于安全狀態(tài)), 選擇相應的控制規(guī)則, 距離模糊控制規(guī)則如表1。風速模糊控制規(guī)則的制定方法與距離相同,同樣根據(jù)風速變化的具體情況來確定控制量的變化,選擇相應的控制規(guī)則, 根據(jù)模糊控制規(guī)則計算出各種輸入狀態(tài)的控制輸出U, 最后用最大隸屬度法進行模糊決策, 使模糊量轉化為精確量。

表1 模糊控制規(guī)則表Tab. 1 Fuzzy control rules

2.3 模糊控制算法

要執(zhí)行模糊控制, 在計算機中就必須通過一定的算法實現(xiàn), 就是從輸入的連續(xù)精確量中通過模糊控制的算法過程, 求出相應的精確控制值, 基于Mamdami推理的控制算法有關系矩陣法、查表法和解析法。在本系統(tǒng)中采用Mamdami查表法。

查表法需要事先設計模糊控制響應表, 在軟件設計時將表格事先置入內存中供實時查表使用。在實際控制時, 模糊控制器首先把輸入量量化到輸入量的語言變量論域中, 再根據(jù)量化的結果去查出控制表, 這樣大大提高模糊控制的實時性, 節(jié)省內存空間。

設計控制表首先求出模糊關系R, 再根據(jù)輸入的偏差和偏差變化率和用合成推理方法求出模糊輸入量, 最后經(jīng)過反模糊化可把模糊量轉換為精確量,即可得到控制輸出量。

設有m條控制規(guī)則, 形如“ifAiandBjthenCij”,分別為：

上述模糊條件語句最后可以用一個模糊關系矩陣來描述, 即：

設Ai(i=1,2,…,m),Bj(j=1,2,…,n),Cij的論域均為：{-P, -P+1,…,-1,0,1,…,P-1,P}

對于偏差a*, 在經(jīng)量化之后, 它必定為對應論域中的某一個元素, 故a*在量化之后, 它可能為下列任一模糊量Ai(i=1,2,…,2P+1),

對于偏差變化率b*, 同樣有對應的模糊量Bj根據(jù)已知的模糊量Ai和Bj, 通過模糊合成運算即可求得對應的模糊輸出量Cij, 且

在求取了輸入變量對應的模糊輸出Cij之后, 利用重心法進行反模糊化, 可得精確的輸出值。

整個模糊防碰撞控制系統(tǒng)為具有4個輸入、1個輸出的模糊系統(tǒng)。模糊控制器采用 Mamdami模型,相應的控制算法可寫成如下形式：“Rj： ifSlisAlandS2isA2andS3isA3andS4isA4thenUisA5”。其中,A( =l, 2, … 5)分別為對應變量的模糊語言描述。

通過上述過程即可得到一個反映輸入變量與輸出變量對應關系的一個元素, 可將此元素填入控制表的適當位置, 通過類似的若干次計算, 就最終得到了整個完善的控制表。

如果距離傳感器監(jiān)測到不遠處有船舶靠近系統(tǒng)并且在安全距離之內或者氣象傳感器監(jiān)測到天氣比較惡劣, 風速超過一定值時, 系統(tǒng)會根據(jù)模糊控制算法自動計算出所要輸出的電壓值去驅動電機轉動,使浮標自動避讓。

3 結論

針對目前浮標應用中存在的安全隱患, 介紹了一種基于模糊控制的海洋浮標自動防碰撞系統(tǒng)。本系統(tǒng)結合單片機及模糊控制理論, 針對浮標在海上的復雜環(huán)境而難以建立精確的數(shù)學模型, 提出了一種基于單片機和模糊控制的避碰方法, 建立了相應的控制規(guī)則, 對浮標的自動防觸碰技術進行了研究,并進行實時控制?？刂扑惴ú捎肕amdani查表法, 在軟件設計時只需將控制表事先置入內存中供實時查詢用。這樣, 當傳感器信號送入單片機, 經(jīng)模糊控制后, 作出決策, 判斷出存在危險時, 模糊控制器輸出控制信號, 作用于執(zhí)行器, 使浮標及時避讓, 解決了困擾小型波浪浮標大規(guī)模推廣的安全性問題。

[1] 朱光文. 發(fā)展剖面探測浮標技術, 支持我國參與ARGO 計劃[J]. 海洋技術, 2001, 6： 21-23.

[2] 鄭道昌. 船舶航行自動避讓的研究——船舶自動避讓系統(tǒng)的組成及相關數(shù)據(jù)處理[J].中國航海, 2002, 1：7-11.

[3] 李麗娜, 蔣漪. 船舶避碰智能化方法的計算機模擬及應用研究[J]. 集美大學學報(自然科學版), 2000, 12：80-84.

[4] 徐玉如, 肖坤.智能海洋機器人技術進展[J].自動化學報, 2007, 5： 518-521.

[5] 張越, 張炎, 趙延軍. 基于單片機和模糊控制的水溫自動控制系統(tǒng)[J]. 儀表技術與傳感器, 2007, 4： 71-72.

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Automatic anti-collision system for buoys based on microcontroller and fuzzy control

LIU Su-hua1, LI Si-ren2, XU Yong-ping2
(1. Qingdao Technological University, Qingdao 266520, China; 2. Institute of Oceanology, the Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)

May, 31, 2009

buoys; anti-collision; microcontroller; fuzzy control

The control system of automatic anti-collision for buoys, which was based on microcontroller and fuzzy control, was applied to oceanographic observation in order to prevent the damages caused by collision of the passing ships or bad weather. The system used C8051F340 chip as the core controller. The hardware and software architectures were designed, and data acquisition, processing, analysis, transmission were achieved. The fuzzy logic function of the distance and wind speed signal were analyzed, and the fuzzy control rules and control algorithm are established. The fuzzy controller guaranteed long-term, safe operation of the buoys, and established the foundation of marine measuring instruments to be controlled intelligently.

TP24

A

1000-3096(2010)10-0057-05

2009-05-31;

2010-08-04

國家 863計劃項目(2008AA09Z113); 國家自然科學基金項目(40776061); 山東省自然科學基金項目(Y2008G05)

劉素花(1970-), 女, 山東青州人, 博士研究生, 主要從事檢測、自動控制等方面的教學與研究, 電話： 0532-82898737, E-mail：liusuhua@qtech.edu.cn

(本文編輯： 劉珊珊)