無人船控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

陶瑞

（珠海云洲智能科技有限公司 廣東省珠海市 519000）

無人船是現(xiàn)代社會(huì)科學(xué)技術(shù)與海洋經(jīng)濟(jì)之間融合發(fā)展的產(chǎn)物，是一種智能化、無人化、網(wǎng)絡(luò)化的水面工具，能夠廣泛應(yīng)用于海洋醫(yī)藥、海洋生態(tài)監(jiān)控、濱海濕地生態(tài)監(jiān)控、海上救援、海上巡邏等各個(gè)方面，具有極其重要的實(shí)用價(jià)值。在無人船控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，技術(shù)人員需要優(yōu)化整體框架設(shè)計(jì)，之后分別從下位機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)等入手設(shè)計(jì)，以此完善控制系統(tǒng)功能，凸顯控制系統(tǒng)的重要作用。此外，建議技術(shù)人員要細(xì)化每一個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，引進(jìn)相關(guān)參數(shù)的設(shè)備及元器件，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，滿足設(shè)計(jì)需求，形成具有良好性能的無人船控制系統(tǒng)，為無人船的有效運(yùn)用提供保障[1]。

1 無人船控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

在無人船控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，技術(shù)人員首先要進(jìn)行整體框架設(shè)計(jì)，為之后的控制系統(tǒng)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定良好的基礎(chǔ)。合理的框架結(jié)構(gòu)不僅能夠有序推動(dòng)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的順利進(jìn)行，還能夠保證控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，有效實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的應(yīng)用功能。技術(shù)人員需要分析無人船的運(yùn)行環(huán)境及工作需求，著重關(guān)注水上無人船控制系統(tǒng)，分別提出載體機(jī)械架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)、自主導(dǎo)航子系統(tǒng)、環(huán)境信息采集子系統(tǒng)、動(dòng)力裝置子系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)中心子系統(tǒng)等，每一個(gè)子系統(tǒng)都有自己的功能與作用，這些子系統(tǒng)共同構(gòu)成了無人船控制系統(tǒng)框架。之后，在無人船船體模塊設(shè)計(jì)中，技術(shù)人員需要保證窗體輕便靈活，控制船身的長度、高度、寬度與自身重量，優(yōu)化設(shè)計(jì)最大載重約為200kg，以便于適應(yīng)各種工作需求與水上工作環(huán)境。

1.2 下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下位機(jī)系統(tǒng)是無人船控制系統(tǒng)的重要構(gòu)成，技術(shù)人員可以引進(jìn)具有高性能、低功耗的微處理器作為主控芯片，比如：S3C2440 型號(hào)處理器。在設(shè)計(jì)過程中，技術(shù)人員需要著重考慮下位機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在引進(jìn)微處理器的同時(shí)對(duì)其進(jìn)行研究測試，同時(shí)引進(jìn)具有相應(yīng)性能的集成控制板，將其作為驅(qū)動(dòng)控制中心，對(duì)控制系統(tǒng)的信息采集子系統(tǒng)進(jìn)行控制。集成控制板還可以負(fù)責(zé)多路傳感器的信息采集控制工作，同時(shí)對(duì)無人船驅(qū)動(dòng)數(shù)字檔位板進(jìn)行聯(lián)動(dòng)操控。在本次設(shè)計(jì)時(shí)，技術(shù)人員選擇了STM32F103VCT6 處理器的STM320 集成控制板，連接控制系統(tǒng)繼電器、無人船驅(qū)動(dòng)器，根據(jù)不同的驅(qū)動(dòng)器單位實(shí)現(xiàn)無人船的前進(jìn)與后退控制；若STM320 集成控制板接收到左拐的指令，則會(huì)做出相應(yīng)反應(yīng)，同時(shí)輸出PWM 信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人船舵機(jī)的控制[2]。

1.3 網(wǎng)絡(luò)通信與導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)與導(dǎo)航系統(tǒng)是無人船控制系統(tǒng)中的重要子系統(tǒng)，是無人船良好運(yùn)行、順利接收指令的重要模塊。

關(guān)于網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，技術(shù)人員通過這一子系統(tǒng)設(shè)計(jì)將無人船上的各種設(shè)備連接在一起，進(jìn)行各種數(shù)據(jù)信息的共享。技術(shù)人員引進(jìn)GPRS 模塊，將無人船與岸基監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)系在一起；引進(jìn)分組無線服務(wù)技術(shù)，將電信網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起，促使無人船控制系統(tǒng)能夠接收到岸基傳輸過來的控制信號(hào)，同時(shí)將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，實(shí)現(xiàn)岸基對(duì)無人船的遠(yuǎn)程操控[3]。

關(guān)于導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)，考慮到無人船的應(yīng)用范圍廣泛、靈活性較強(qiáng)。無需搭載人員的特點(diǎn)，技術(shù)人員可以在人工遙控的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)自動(dòng)導(dǎo)航航行模式，這主要是為了面對(duì)一些距離岸基較遠(yuǎn)、信號(hào)傳輸不良的工作環(huán)境，促使無人船能夠根據(jù)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)定自動(dòng)化操作，完成工作任務(wù)同時(shí)啟動(dòng)自主返回機(jī)制，進(jìn)一步提升無人船的應(yīng)用性能。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，技術(shù)人員利用GPS 定位系統(tǒng)，比較無人船當(dāng)前位置、岸基位置與下發(fā)目的地，合理規(guī)劃線路，將具體線路儲(chǔ)存在無人機(jī)存儲(chǔ)器中。技術(shù)人員可以引進(jìn)計(jì)算算法，讓無人船在運(yùn)行過程中自主計(jì)算目的地的距離，控制自身行駛速度與角度，通過集成控制板接受指令，之后利用STM 集成控制板驅(qū)動(dòng)無人船驅(qū)動(dòng)器與舵機(jī)，完成無人船行駛?cè)蝿?wù)。在無人船的自動(dòng)導(dǎo)航行駛過程中共，若遇到障礙物，則可以接受岸基系統(tǒng)發(fā)送的導(dǎo)航指令，通過下位機(jī)控制避開障礙物，傳輸所在位置，岸基工作人員則可以重新發(fā)送指令，規(guī)劃線路，保證無人船能夠到達(dá)目的地，順利回到岸基[4]。

1.4 信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

信息采集系統(tǒng)是無人船控制系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)資料、為控制系統(tǒng)運(yùn)行提供精確依據(jù)的重要環(huán)節(jié)。無人船控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要是為了滿足無人船搭載生物顯微鏡、監(jiān)控設(shè)備對(duì)海洋周邊環(huán)境進(jìn)行信息搜集、圖像處理、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的目的；其中的信息采集系統(tǒng)則是通過各種傳感器，在水面巡邏的過程中實(shí)時(shí)獲取周邊環(huán)境視頻，對(duì)水的溫度、濕度、水位、流速、降水、大氣壓數(shù)據(jù)等進(jìn)行信息采集，之后進(jìn)行水質(zhì)分析功能；還可以對(duì)無人船的控制狀態(tài)、行駛速度、經(jīng)緯度、加速度、行駛方向角等進(jìn)行數(shù)據(jù)信息獲取。因此，在信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，技術(shù)人員需要引進(jìn)導(dǎo)航定位模塊、多種傳感器設(shè)備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等，將傳感器獲取到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)絊TM32 集成控制板，之后完成信息分析與傳輸任務(wù)。為了更好的接收數(shù)據(jù)，技術(shù)人員可以將STM32集成控制板的串口進(jìn)行拓展，外接外圍傳感器[5]。

1.5 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動(dòng)力系統(tǒng)一般稱為“動(dòng)力裝置子系統(tǒng)”，在這一設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，工作人員需要考慮到無人船的運(yùn)行需求、工作環(huán)境、自身重量，細(xì)化其中的電壓參數(shù)；還需要嚴(yán)格控制動(dòng)力裝置設(shè)備質(zhì)量，保證其具有較強(qiáng)的防腐蝕、防滲透性能，以此維護(hù)動(dòng)力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，技術(shù)人員設(shè)計(jì)動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)力的額定電壓為12V，引進(jìn)蓄電池作為供電電源，提升無人船的續(xù)航功能；在電池規(guī)格設(shè)計(jì)時(shí)，可以選擇12 伏特105 安時(shí)規(guī)格的電池。將蓄電池安裝在動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之后，其會(huì)在無人船開啟的狀態(tài)時(shí)發(fā)生內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)，通過正負(fù)極間板的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行放電，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能；若蓄電池電力不足以滿足無人船運(yùn)行需求，則可以引入電解液作為補(bǔ)充，以此持續(xù)為控制系統(tǒng)運(yùn)行提供電源[6]。

2 無人船控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)路徑

在完成上述系統(tǒng)框架、子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之后，為了更好的實(shí)現(xiàn)無人船控制系統(tǒng)運(yùn)行目標(biāo)，建議技術(shù)人員優(yōu)化關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，豐富各系統(tǒng)功能，以此強(qiáng)化無人船控制系統(tǒng)運(yùn)行能力，為無人船的穩(wěn)定、可靠、高效運(yùn)行提供保障。

2.1 引進(jìn)處理器設(shè)備，優(yōu)化下位機(jī)控制中心

在無人船驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，技術(shù)人員引進(jìn)了S3C2440 微處理器，這一處理器的內(nèi)核為ARM920T 內(nèi)核，具有較強(qiáng)的指令集控制功能，具備內(nèi)存管理單元；技術(shù)人員可以在芯片內(nèi)部設(shè)置虛擬地址，映射實(shí)際物理地址，從而實(shí)現(xiàn)外部硬件對(duì)內(nèi)部內(nèi)存的訪問；引進(jìn)這一微處理器之后，能夠直接省略其他控制器控制模塊，進(jìn)一步降低控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本，還可以通過I/O 進(jìn)行特定功能驅(qū)動(dòng)，優(yōu)化微處理器的體系結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)無人船控制系統(tǒng)的下位機(jī)設(shè)計(jì)力度。結(jié)合微處理器集成功能，其具備LCO控制器、IIC總線控制器、IIS總線控制器、三通道串口UART、PWM 定時(shí)器、看門狗定時(shí)器、10 位ADC 控制器等，能夠充分滿足無人船控制系統(tǒng)的運(yùn)行需求。為了進(jìn)一步強(qiáng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行效用，建議技術(shù)人員進(jìn)行復(fù)位電路設(shè)計(jì)，提升控制系統(tǒng)中電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性；技術(shù)人員可以采用復(fù)位芯片取締傳統(tǒng)阻容復(fù)位，充分發(fā)揮其能耗較低、穩(wěn)定性較強(qiáng)的性能[7]。

2.2 靈活利用設(shè)置元器件，豐富信息采集功能

在無人船驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，技術(shù)人員可以靈活使用各種元器件，以元器件集成豐富系統(tǒng)功能，支持控制系統(tǒng)的信息采集需求，以此獲取精準(zhǔn)、可靠的監(jiān)測信息，有效完成無人船運(yùn)行任務(wù)。一方面，進(jìn)行濕度、溫度接口電路設(shè)計(jì)；技術(shù)人員可以使用數(shù)字溫度傳感器、溫濕度傳感技術(shù)與數(shù)字模塊采集技術(shù)，以此精準(zhǔn)監(jiān)測目標(biāo)的溫度與濕度，獲取精確數(shù)據(jù)，同時(shí)縮小溫濕度采集模塊體積，簡化采集模塊的電路系統(tǒng)；技術(shù)人員需要控制電路系統(tǒng)中的傳感器傳輸距離≤20m，控制上拉電阻規(guī)格為4.7k。另一方面，引進(jìn)超聲波測距避障技術(shù)；為了促使無人船能夠自動(dòng)躲避障礙物，技術(shù)人員在設(shè)計(jì)中使用防水型的超聲波XKC-007Y 型號(hào)設(shè)備，將發(fā)生模塊與接收模塊集中在一起形成探頭，控制感應(yīng)角參數(shù)≤15°，充分滿足數(shù)據(jù)采集與環(huán)境監(jiān)測需求[8]。

2.3 完善下位機(jī)控制系統(tǒng)，凸顯功能設(shè)計(jì)作用

在無人船驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，技術(shù)人員要優(yōu)化下位機(jī)空盒子系統(tǒng)，重點(diǎn)開展功能設(shè)計(jì)。在實(shí)際過程中，下位機(jī)控制系統(tǒng)包括下位機(jī)主控制中心、驅(qū)動(dòng)控制中心，在不同控制中心設(shè)計(jì)中，可以采用不同型號(hào)的集成控制板，以此滿足控制驅(qū)動(dòng)。舉例分析，在主控制中心設(shè)計(jì)中，可以選擇ARM9 集成控制板，同時(shí)搭載linux 操作系統(tǒng)，引進(jìn)GPS 技術(shù)與GPRS 技術(shù)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)無人船的下位機(jī)與岸基監(jiān)控子系統(tǒng)連通，促使其具備遠(yuǎn)程通訊、數(shù)據(jù)傳輸、信號(hào)傳輸?shù)裙δ?。此外，技術(shù)人員還需要優(yōu)化嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，分別對(duì)其CPU、電源、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備等進(jìn)行管理，利用操作系統(tǒng)將嵌入式硬件與應(yīng)用程序聯(lián)系在一起，形成功能強(qiáng)大的下位機(jī)管理機(jī)制[9]。

2.4 引進(jìn)上位機(jī)管理軟件，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)

在無人船驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，建議要積極引進(jìn)上位機(jī)管理軟件，以軟件應(yīng)用實(shí)現(xiàn)多種設(shè)計(jì)目標(biāo)，提升無人船控制系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值。在無人船控制系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，需要采用無人船管理軟件，分別連接到電腦端與手機(jī)控制端；技術(shù)人員可以將電腦端作為無人船位置實(shí)時(shí)查詢、航速查詢、無人船調(diào)度、經(jīng)緯度數(shù)據(jù)分析、航線軌跡可視化分析的載體；將手機(jī)端作為無人船控制的重要渠道，利用手機(jī)中的GPS 網(wǎng)絡(luò)與無人船通信。在底層設(shè)計(jì)中，需要對(duì)無人船輸入定位信息，以此支持手機(jī)對(duì)無人船位置的掌握與無人船運(yùn)行的控制。技術(shù)人員可以很近RTOS 嵌入式系統(tǒng)，完成無人船的航向控制、IMU 數(shù)據(jù)傳輸、無線指令傳輸與控制等；還可以通過軟件設(shè)計(jì)設(shè)置協(xié)議，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)同時(shí)實(shí)時(shí)處理、定期更新數(shù)據(jù)校地等功能，實(shí)現(xiàn)無人船控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.5 優(yōu)化控制模式，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

在無人船驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，建議優(yōu)化無人船控制模式，以合理控制模式實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，提升控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠性與有效性，進(jìn)一步提升無人船的應(yīng)用性能。技術(shù)人員可以接軟件平臺(tái)功能，引進(jìn)經(jīng)典的PID 控制手段，靈活利用AC 庫中的多種不同控制模式，分別完成控制數(shù)據(jù)頻率、控制手段、參數(shù)變量、位置矢量的細(xì)化設(shè)計(jì)，從而提高響應(yīng)速度，滿足當(dāng)前需求，技術(shù)人員可以利用P 控制器轉(zhuǎn)換角度誤差為旋轉(zhuǎn)速率，之后將旋轉(zhuǎn)速率轉(zhuǎn)換為點(diǎn)擊命令，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)無人船的姿態(tài)控制，滿足無人船的自動(dòng)化、智能化控制需求[10]。

3 結(jié)語

綜上所述，在無人船控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，技術(shù)人員借助無人船體軟硬件設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別從各個(gè)子系統(tǒng)入手，改善航向控制算法，提升航線的貼合效果；同時(shí)能夠強(qiáng)化傳感器之間的通訊傳輸效果，完善無人船的各種檢測、跟蹤與監(jiān)控功能。為了更好的實(shí)現(xiàn)無人船控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)，技術(shù)人員要結(jié)合實(shí)際情況合理選擇處理器設(shè)備，以此強(qiáng)化下位機(jī)控制中心；之后要靈活利用各種元器件，重點(diǎn)設(shè)計(jì)下位機(jī)功能，引進(jìn)上位機(jī)管理軟件，細(xì)化控制模式設(shè)計(jì)，更好的實(shí)現(xiàn)無人船控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，提升無人船整體應(yīng)用性能。