基于DSP的雙槳無(wú)人艇直線路徑跟蹤設(shè)計(jì)與方法

盧章成

摘 要：文章根據(jù)雙槳無(wú)人水面艇的運(yùn)動(dòng)特性，提出了一個(gè)基于雙槳無(wú)人艇的直線路徑跟蹤方法。介紹了使用該控制方法的控制結(jié)構(gòu)，并基于DSP嵌入式平臺(tái)，提出了該控制方法的軟件設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：雙槳無(wú)人艇；DSP；直線路徑跟蹤

無(wú)人艇作為一種無(wú)人水面智能平臺(tái)，具有成本低、適應(yīng)性強(qiáng)、操縱靈活、易于維護(hù)等特點(diǎn)[1]，有著廣闊的應(yīng)用及發(fā)展前景?？筛鶕?jù)下達(dá)的不同命令完成相應(yīng)的任務(wù)，如偵查、搜救、巡邏、排雷、反恐攻擊等。

無(wú)人艇包括單槳單舵、雙槳、雙槳帶舵、雙槳雙舵、單泵噴水等多種運(yùn)動(dòng)方式，無(wú)人艇的設(shè)計(jì)涉及艇體制造、動(dòng)力推進(jìn)、通信導(dǎo)航、運(yùn)動(dòng)控制等方面。

無(wú)人艇的研究設(shè)計(jì)，也帶起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者一片火熱的學(xué)術(shù)風(fēng)潮。無(wú)人艇的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)也是倍受關(guān)注。文元橋等[2]針對(duì)航行環(huán)境和船速變化下的無(wú)人艇路徑跟蹤控制問(wèn)題，提出了一種基于變?cè)鲆鎯?nèi)?？刂品椒ǖ臒o(wú)人艇自適應(yīng)路徑跟蹤控制器。利用視距（Line of Sight，LoS）制導(dǎo)算法設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇的自適應(yīng)路徑跟蹤控制器。董早鵬等[3]針對(duì)無(wú)人艇高速航行過(guò)程中航向控制問(wèn)題，提出一種基于改進(jìn)細(xì)菌覓食算法優(yōu)化的PD控制算法。用于優(yōu)化PD控制參數(shù)，并通過(guò)半物理仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出算法的有效性、可靠性和優(yōu)越性。趙東明等[4]針對(duì)常規(guī)PID控制器在無(wú)人艇航向控制系統(tǒng)中表現(xiàn)出抗干擾能力弱、控制精度低等問(wèn)題，提出了一種應(yīng)用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的航向控制器設(shè)計(jì)方法，提高了無(wú)人艇在復(fù)雜環(huán)境中的自適應(yīng)能力。廖煜雷等[5]針對(duì)單泵噴水推進(jìn)器提出了一種反步自適應(yīng)滑?？刂品椒?，證明了該定律可以保證航向跟蹤系統(tǒng)的全局漸近穩(wěn)定性。

本文研究的主要內(nèi)容為雙槳無(wú)人艇的直線路徑跟蹤問(wèn)題，被控對(duì)象為一艘雙槳無(wú)人水面艇。通過(guò)對(duì)艇載差分GPS和位姿傳感器等艇載高精度傳感器數(shù)據(jù)的解算，對(duì)兩個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，從而實(shí)現(xiàn)雙槳無(wú)人艇的直線路徑跟蹤功能。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與功能

無(wú)人艇控制系統(tǒng)分為兩部分：岸基控制中心和無(wú)人艇艇載控制中心，彼此之間使用了4G的通訊方式，通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)以及控制命令的傳輸，具體框架如圖1所示。

其中，艇載控制中心由5個(gè)主要部分構(gòu)成，第一個(gè)為岸基控制中心和艇載控制中心的通訊鏈路部分，艇載控制中心通過(guò)4G路由器和岸基控制中心的4G路由器之間通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，方便岸基控制中心能夠向艇載控制中心發(fā)送控制指令，使得艇載控制中心能夠向岸基控制中心發(fā)送艇載傳感器測(cè)得的各項(xiàng)參數(shù)和無(wú)人艇實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等信息，從而使得人機(jī)交互界面更加友善，方便研發(fā)調(diào)試人員對(duì)無(wú)人艇的自主功能進(jìn)行調(diào)試。第二個(gè)為傳感器部分，包括厘米級(jí)的差分GPS、毫米波雷達(dá)、聲吶以及姿態(tài)傳感器MPU6050，其中，差分GPS為無(wú)人艇提供經(jīng)緯度以及速度方向的信息，毫米波雷達(dá)和聲吶為無(wú)人艇提供水上及水下的障礙物距離及方位信息，MPU6050為無(wú)人艇提供姿態(tài)信息。第3個(gè)為各傳感器的數(shù)據(jù)采集部分，艇載控制系統(tǒng)上搭載高精度傳感器需要的接口較多，所以使用了本實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的數(shù)據(jù)采集板卡，該板卡使用的主控芯片為GD32，內(nèi)核是Cortex-M3的升級(jí)版，具有較快的數(shù)據(jù)處理能力和較高的穩(wěn)定性。由于差分GPS的數(shù)據(jù)量較大，為了防止通訊卡頓，我們將差分GPS和其余3個(gè)傳感器分兩塊數(shù)據(jù)采集板卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分?jǐn)倲?shù)據(jù)采集板卡的壓力，兩塊數(shù)據(jù)采集板卡之間使用網(wǎng)口通訊的方式，使得板卡間的數(shù)據(jù)傳輸更加地快速準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)采集板卡更是連接上位機(jī)和主控DSP之間的重要樞紐。第4部分為艇載控制中心的主控部分，該部分使用的是DSP28335，該款DSP具有較強(qiáng)的計(jì)算能力，也具有較多的通信接口。在數(shù)據(jù)采集板卡1接收到上位機(jī)的控制指令后通過(guò)串口將控制指令發(fā)送到DSP的串口A，將接收到的傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)串口將該數(shù)據(jù)發(fā)送到DSP的串口C。在DSP接收到相應(yīng)的指令后會(huì)判斷控制模式，如果進(jìn)入自主模式，DSP主控板卡將會(huì)對(duì)各傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，根據(jù)在DSP上編寫的控制算法，最后計(jì)算出實(shí)時(shí)應(yīng)該加載在電機(jī)驅(qū)動(dòng)上的轉(zhuǎn)速，然后通過(guò)485通信將計(jì)算出的轉(zhuǎn)速傳輸給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，最后一個(gè)部分是電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，該模塊的作用是根據(jù)主控DSP發(fā)送過(guò)來(lái)的轉(zhuǎn)速信息，將該信息形成相應(yīng)的模擬信號(hào)，將該信號(hào)加載在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)端，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到信號(hào)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

為了保證整個(gè)通訊系統(tǒng)的正常通信，本文定義了無(wú)人艇數(shù)據(jù)的傳輸格式，如表1所示。

岸基控制中心和艇載控制中心通過(guò)4G的方式進(jìn)行通信。由數(shù)據(jù)采集板卡接收傳感器原始數(shù)據(jù)然后將傳感器數(shù)據(jù)打包成制定好的數(shù)據(jù)格式，將該數(shù)據(jù)發(fā)送至主控DSP板卡，DSP主控板卡對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并運(yùn)行控制算法代碼算出雙槳無(wú)人艇左右螺旋槳轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇的直線軌跡跟蹤。

其中主控板卡為TMS320F28335，是一款TI高性能TMS320C28x系列32位浮點(diǎn)DSP處理器。具有精度高、成本低、功耗小、性能高、外設(shè)集成度高、數(shù)據(jù)以及程序存儲(chǔ)量大等特點(diǎn)。能夠滿足艇載控制中心的計(jì)算需求。

2 控制算法設(shè)計(jì)

由于雙槳無(wú)人艇滯后性強(qiáng)，響應(yīng)速度慢，僅根據(jù)無(wú)人艇的航向進(jìn)行控制難以達(dá)到理想的直線跟蹤控制效果。本文在航向控制的基礎(chǔ)上，增加了對(duì)轉(zhuǎn)向角速度的控制，提高了雙槳無(wú)人艇運(yùn)動(dòng)控制的響應(yīng)速度和控制精度，其控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該算法可以看成是一個(gè)聯(lián)調(diào)控制系統(tǒng)。不斷的計(jì)算得到雙槳無(wú)人艇的實(shí)時(shí)航向，從而得到在航行過(guò)程中無(wú)人艇的實(shí)時(shí)航向誤差。由于無(wú)人艇系統(tǒng)慣性強(qiáng)、滯后性較大，本文的控制算法實(shí)際上是將控制的對(duì)象從航向偏差變?yōu)檗D(zhuǎn)向角速度。在有航向偏差出現(xiàn)時(shí)，時(shí)刻調(diào)整轉(zhuǎn)向角速度的設(shè)定值，使之能夠適應(yīng)航行環(huán)境變化。該算法使整個(gè)無(wú)人艇運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間縮短很多，控制效果更加及時(shí)。

3 軟件設(shè)計(jì)

本文研究的雙槳無(wú)人艇的控制系統(tǒng)以DSP28335為核心，通過(guò)實(shí)時(shí)采集電機(jī)的霍爾信號(hào)計(jì)算得知螺旋槳實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，記錄雙槳無(wú)人艇的初始航向?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)值。然后根據(jù)差分GPS的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，計(jì)算實(shí)時(shí)航向和上個(gè)時(shí)刻的航向，從而得到航向偏差的值。根據(jù)航向偏差調(diào)整內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)向角速度的設(shè)定值，根據(jù)位姿傳感器的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集轉(zhuǎn)向角速度的數(shù)據(jù)，然后得到內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)向角速度的偏差，根據(jù)內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)向角速度控制器的輸出值，得到左右螺旋槳的差速。從而得到雙槳無(wú)人艇左右螺旋槳應(yīng)該加載的理想轉(zhuǎn)速，將DSP的轉(zhuǎn)速信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)整為理想轉(zhuǎn)速響應(yīng)的控制信號(hào)。通過(guò)閉環(huán)控制實(shí)時(shí)將左右螺旋槳的轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)逼近理想轉(zhuǎn)速。將實(shí)時(shí)航向無(wú)限逼近于一開(kāi)始記錄的航向標(biāo)準(zhǔn)值，從而實(shí)現(xiàn)雙槳無(wú)人艇的直線跟蹤功能。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)雙槳驅(qū)動(dòng)水面無(wú)人艇響應(yīng)速度慢、滯后性強(qiáng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種適合雙槳水面無(wú)人艇的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了一種適合該控制對(duì)象的控制算法，能夠有效縮短雙槳無(wú)人艇的反應(yīng)時(shí)間，加快響應(yīng)速度，并且介紹了實(shí)現(xiàn)該算法的軟件流程思想。

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