基于ARM和DSP處理器的無人搜救船船載控制系統(tǒng)設計

羅楚江，李銳豪

（廣州航海學院，廣東 廣州510725）

0 引言

無人駕駛技術(shù)已經(jīng)成功應用于飛機和汽車，如百度無人車和大疆無人機等產(chǎn)品已經(jīng)得到深入研究和應用，但與無人車和無人飛機相比，無人船艇的發(fā)展相對處于落后狀態(tài)，智能化是當前船舶的發(fā)展方向，隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、高精度導航技術(shù)和動力定位技術(shù)的發(fā)展，無人駕駛船舶有了長足發(fā)展，無人船舶航行于全球?qū)⒊蔀橐环N可能[1]。無人船作為水上搜救平臺有著廣泛的應用，以馬航MH370空難為例，海難搜救目標往往范圍廣、距離遠，大型救援船幾乎很難在事發(fā)兩小時黃金救援時間內(nèi)找到現(xiàn)場。但若用飛機空投一批裝載救援物資的無人船，則可立即實現(xiàn)大面積拉網(wǎng)式搜索，一艘發(fā)現(xiàn)目標，其他船迅速靠近救援。無人船艇的關鍵技術(shù)是實現(xiàn)船舶在各種不同水文環(huán)境下的自主航行，在無人船平臺中，船載控制系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)船舶運動狀態(tài)控制、環(huán)境信息采集與船岸通信的功能[2]。岸端監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是對無人船的運行狀態(tài)、環(huán)境信息以及特定任務完成情況的顯示和記錄。

本文設計采用DSP和嵌入式ARM為平臺的船載控制系統(tǒng)和基于Android系統(tǒng)的遠程監(jiān)控平臺，船載控制系統(tǒng)的主要是由動力驅(qū)動單元、信息采集單元、航行控制單元、視覺處理單元和通信單元組成，通過目標檢測技術(shù)和場景分割技術(shù)實現(xiàn)對落水人員的識別與定位，進而由無人船船載控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動航行控制。船端與遠程監(jiān)控平臺采用5.8 GHz無線通信技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，遠程監(jiān)控平臺具有數(shù)據(jù)顯示與處理、人工遙控、自航設置以及地圖顯示等功能。

1 系統(tǒng)總體設計

無人搜救船系統(tǒng)由船載控制系統(tǒng)和遠程監(jiān)控平臺兩大部分組成，系統(tǒng)的總體設計如圖1所示。系統(tǒng)采用2.4 G無線通信方式實現(xiàn)船端與遠程監(jiān)控平臺之間信息交流，船端控制系統(tǒng)通過環(huán)境信息采集單元將無人搜救船的環(huán)境因素發(fā)送給遠程監(jiān)控平臺進行顯示與處理，岸基遠程監(jiān)控平臺可以實現(xiàn)對無人搜救船的遙控控制，由工作人員操縱無人船，亦可工作在自控模式，無人搜救船通過目標檢測技術(shù)實現(xiàn)對救助目標的定位，實現(xiàn)自航，自航速度等參數(shù)由遠程監(jiān)控平臺設置。無人搜救船的航行軌跡可以在遠程監(jiān)控平臺實時顯示。

圖1 無人搜救船系統(tǒng)總體設計圖

2 船端控制系統(tǒng)硬件設計

無人搜救艇船端控制系統(tǒng)是無人搜救船的“執(zhí)行者”，是無人搜救船智能控制的重要組成部分。設計以DSP和嵌入式STM32H7高速MCU實現(xiàn)對無人搜救船的動力控制、環(huán)境信息采集和航行控制等功能。船端控制系統(tǒng)設計框圖如圖2所示。

圖2 船載控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

船載控制系統(tǒng)采用嵌入式STM32H743處理器和TMS320C6678多核固定浮點數(shù)字信號處理器。STM32H743是ST公司推出的高性能處理器，其工作頻率為400 MHz的32位ARM Cortex-M7微處理器[3]，TMS320C6678是TI基于KeyStone的多核固定浮點數(shù)字信號處理器，集成了C66x CorePac，每個核心在1至1.5GHz到10GHz的運行，支持高性能的信號處理應用[4]。設計STM32用于無人搜救船的動力控制和航行控制，STM32輸出PWM分別控制電機的轉(zhuǎn)速與方向舵機的轉(zhuǎn)動角度，操縱無人搜救船的運動速度和運動方向。環(huán)境感知模塊是由測距模塊、高清工業(yè)級攝像頭和北斗/GPS定位模塊組成。航行控制單元用于控制無人搜救船的航行模式，可以選擇為自航模式或遙控模式，若為遙控模式，遠程監(jiān)控平臺通過2.4 G無線通信將監(jiān)控信息發(fā)送給無人搜救船。若為自控模式，遠程監(jiān)控平臺對無人搜救船設定目標，由路徑規(guī)劃算法實現(xiàn)自航控制。

2.1 動力控制單元電路設計

無人搜救船的動力單元是由驅(qū)動電機和舵機共同構(gòu)成，由于有刷直流電機價格便宜、控制簡單且穩(wěn)定性高，故無人船的動力由有刷直流電機提供，通過L298N電機驅(qū)動芯片實現(xiàn)對有刷直流電機的驅(qū)動，其電機驅(qū)動電路如圖3所示。L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片，其持續(xù)工作電流為2 A，額定功率為25 W[5]。設計通過STM32高級定時器輸出PWM實現(xiàn)對驅(qū)動電機的控制。無人搜救船的運動方向由方向舵機來控制，設計亦是采用STM32高級定時器實現(xiàn)舵機轉(zhuǎn)角控制。

圖3 無刷直流電機驅(qū)動電路設計圖

2.2 環(huán)境信息采集單元電路設計

環(huán)境信息采集單元相當于無人搜救船的“眼睛”，通過高清工業(yè)攝像頭采集的信息，由DSP處理器實時處理，通過目標檢測算法，實現(xiàn)對落水人員的識別，并結(jié)合測距模塊、北斗定位模塊實現(xiàn)對落水人員的位置精確定位，由無線通信模塊將此信息發(fā)送到遠程監(jiān)控平臺。攝像頭與DSP之間采用USB通信方式進行數(shù)據(jù)交互，從而保證高速數(shù)據(jù)通信的需求。北斗導航定位模塊采用SkyTra公司的GPS+北斗雙模定位芯片S1216F8-BD，，該芯片可實現(xiàn)米級精度的定位，定位模塊與DSP處理通過串口通信進行數(shù)據(jù)交換。定位模塊電路原理圖如圖4所示。

2.3 船岸無線通信模塊設計

為滿足無人搜救船與遠程監(jiān)控平臺之間的通信，設計應用了工作在5.8 GHz頻段的高速無線通信模塊并配置高增益天線，以實現(xiàn)實時遠距離通信，該無線通信技術(shù)是基于城域網(wǎng)標準IEEE802.16a，支持點對點和點對多點的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，在無阻礙的情況下可以高達72Mbit/s的傳輸速率，最遠通信距離可達50 km，能夠滿足一般圖像或數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。本設計采用SX1278半雙工低中頻收發(fā)器，該芯片的低頻段為169 M和433 M，高頻段為868M-915M，其電路原理圖如圖5所示。

圖4 定位模塊電路設計原理圖

圖55 .8G無線通信設計原理圖

3 船載控制系統(tǒng)軟件設計

船載控制系統(tǒng)軟件的功能是控制STM32芯片和DSP芯片實現(xiàn)無人搜救船平臺監(jiān)控功能，STM32微處理器使用MDK5.0集成編譯環(huán)境，DSP的開發(fā)環(huán)境為CCSV5.5.軟件功能的設計流程圖如圖6所示。

圖6 船載控制系統(tǒng)軟件設計流程圖

4 遠程監(jiān)控軟件設計

為實現(xiàn)對無人搜救船的實時監(jiān)控，設計采用基于Android系統(tǒng)的遠程監(jiān)控平臺，遠程監(jiān)控平臺設計了5.8 GHz通信模塊，與無人搜救船進行通信。遠程監(jiān)控平臺設計界面如圖7所示。

圖7 遠程監(jiān)控平臺界面圖

5 結(jié)論

本文設計了一種基于嵌入式ARM和DSP處理器的無人搜救船船載控制系統(tǒng)，船載控制系統(tǒng)由STM32H7和TMS320C6678DSP處理器、北斗/GPS定位模塊、動力模塊等組成，并采用5.8 GHz無線通信技術(shù)實現(xiàn)船載端與遠程監(jiān)控平臺之間的信息交互，將無人搜救船的采集的環(huán)境信息、視頻信息以及控制信息傳輸?shù)竭h程監(jiān)控平臺。無人船的控制分為自航和遙控模式，采用基于Android操作系統(tǒng)的遠程監(jiān)控平臺，實現(xiàn)對無人搜救船的實時監(jiān)控，可以提高無人船的工作效率，并確保航行安全，結(jié)合高清攝像頭及目標檢測技術(shù)，可用于水上搜救，具有一定的推廣價值。