基于STM32的水面無(wú)人艇控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【關(guān)鍵詞】STM32；水面無(wú)人艇；PS2 無(wú)線手柄；增量式PID 算法

引言

隨著無(wú)人車(chē)和無(wú)人機(jī)技術(shù)的成熟，越來(lái)越多的機(jī)構(gòu)，包括研究所、院校和企業(yè)等，開(kāi)始研究和應(yīng)用水面無(wú)人艇[1]。水面無(wú)人艇是一種能夠在海洋、河流等水域環(huán)境中執(zhí)行一些復(fù)雜或危險(xiǎn)任務(wù)的平臺(tái)，如水質(zhì)檢測(cè)、事故搜尋救助等，與載人船舶和浮動(dòng)平臺(tái)等設(shè)備相比，無(wú)人艇具備操縱性強(qiáng)、部署方便、覆蓋范圍廣且成本較低的優(yōu)點(diǎn)，這使得無(wú)人艇具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。

本文設(shè)計(jì)的水面無(wú)人艇控制系統(tǒng)是其核心部件，可通過(guò)PS2無(wú)線手柄或遙控實(shí)現(xiàn)多種航行模式，包括前進(jìn)后退、轉(zhuǎn)向及固定軌跡航行，確保了方向和速度的精確控制。系統(tǒng)采用增量式PID算法結(jié)合霍爾編碼器測(cè)量的速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)推進(jìn)器轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，提高了航行效率。同時(shí)，集成避障模塊以提高安全性，使無(wú)人艇能靈活、安全執(zhí)行任務(wù)。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32單片機(jī)的水面無(wú)人艇控制系統(tǒng)，包括方向控制、無(wú)線通信和緊急制動(dòng)功能。如圖1所示，系統(tǒng)由STM32單片機(jī)、電源、PS2無(wú)線遙控、避障模塊、無(wú)刷電調(diào)和裝有霍爾編碼器的水下推進(jìn)器組成。采用STM32F103ZET6單片機(jī)作為主控制核心，利用霍爾編碼器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)速，并通過(guò)增量式PID算法對(duì)無(wú)刷電調(diào)的PWM值進(jìn)行精確調(diào)整，以穩(wěn)定推進(jìn)器速度。PS2無(wú)線手柄用于航行模式控制，紅外避障傳感器實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)，提升系統(tǒng)安全性能。

二、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要硬件包括主控芯片、PS2無(wú)線手柄、電源模塊、避障模塊以及驅(qū)動(dòng)模塊。如圖2所示，這些模塊之間的電路連接，構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)。以下針對(duì)各模塊進(jìn)行說(shuō)明：

1.主控芯片：采用STM32F103ZET6單片機(jī)，具有高性能、低功耗，支持多種控制指令，易實(shí)現(xiàn)精確控制。配備電源模塊和RTC晶振電路，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和時(shí)鐘準(zhǔn)確性[3-4]。

2.無(wú)線手柄：PS2無(wú)線手柄的信號(hào)接收器有9個(gè)引腳，其中DI/DAT和DO/CMD用于全雙工數(shù)據(jù)通信，CS/SEL用于控制通信狀態(tài)，GND和VDD提供電源。通信啟動(dòng)時(shí)，CS/SEL引腳接收低電平，通信結(jié)束后返回高電平[5]。通信初始階段，STM32單片機(jī)向手柄發(fā)送“0x01”命令請(qǐng)求ID信息，手柄回復(fù)“0x41”（綠燈）或“0x73”（紅燈）以確認(rèn)模式。隨后，控制板發(fā)送“0x42”命令獲取數(shù)據(jù)，手柄以“0x5A”響應(yīng)[6]。

3.電源模塊：本文選擇+12V的鋰電池作為系統(tǒng)的主電源，為無(wú)刷雙向電調(diào)供電的同時(shí)，通過(guò)直流穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)化器將+12V電壓轉(zhuǎn)換為+5V為STM32單片機(jī)供電。

4.避障模塊：紅外避障傳感器用于檢測(cè)物體并觸發(fā)相應(yīng)的操作信號(hào)[7]。傳感器有3個(gè)引腳：VCC、GND、OUT，其中OUT連接到單片機(jī)的I/O口。模塊安裝于無(wú)人艇前后端，采用交叉檢測(cè)方式。當(dāng)檢測(cè)到前方障礙物時(shí)，綠色指示燈點(diǎn)亮，同時(shí)OUT端口輸出低電平信號(hào)[8]。STM32單片機(jī)接收到信號(hào)后執(zhí)行緊急制動(dòng)程序，水下推進(jìn)器反向運(yùn)行，提供相反推力，確保安全。

5.驅(qū)動(dòng)模塊：無(wú)刷雙向電調(diào)是專為控制無(wú)刷電機(jī)而設(shè)計(jì)的裝置，可實(shí)現(xiàn)雙向控制功能，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和運(yùn)行方向。通過(guò)STM32單片機(jī)輸入的PWM控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)，具有高效率、低噪音和精準(zhǔn)控制等特點(diǎn)，并提供多項(xiàng)保護(hù)功能確保系統(tǒng)安全。

三、增量式PID控制算法實(shí)現(xiàn)

（一）增量式PID控制算法

增量式PID控制算法是基于比例-積分-微分控制器的閉環(huán)控制算法，通過(guò)計(jì)算當(dāng)前采樣時(shí)刻的誤差值與上一采樣時(shí)刻的誤差值之差，來(lái)得到控制器的輸出增量[9]。該增量會(huì)被加到前一時(shí)刻的控制器輸出上，產(chǎn)生新的控制器輸出。計(jì)算公式如下[10]：

（1）式中：ΔU（k）表示當(dāng)前時(shí)刻的控制器輸出增量，Kp、Ki和Kd分別代表比例、積分和微分增益，e（k）表示當(dāng)前時(shí)刻的誤差值，e（k-1）表示前一時(shí)刻的誤差值，e（k-2）表示前兩個(gè)時(shí)刻的誤差值。

增量式PID控制算法相較傳統(tǒng)PID算法，具有更高精度和響應(yīng)速度，能更快、更準(zhǔn)確地響應(yīng)系統(tǒng)變化，實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定可靠的控制效果。

（二）仿真實(shí)驗(yàn)分析

在MATLAB中進(jìn)行增量式PID控制算法仿真，分為未施加干擾和施加干擾情況下的對(duì)比。圖3為增量式PID跟蹤響應(yīng)曲線，描述了系統(tǒng)經(jīng)過(guò)增量式PID控制調(diào)節(jié)后實(shí)際位置與理想位置之間的變化情況。圖4為增量式PID跟蹤誤差曲線，反映了系統(tǒng)在增量式PID控制調(diào)節(jié)后產(chǎn)生的誤差變化情況。

從圖3和圖4可以看出，在時(shí)長(zhǎng)為1s的仿真情景下，當(dāng)在0.1s施加的干擾信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)的位置會(huì)受到一定影響，但整體上能夠較好地追蹤理想位置。圖4顯示系統(tǒng)加入干擾信號(hào)時(shí)，誤差會(huì)有所增加，但經(jīng)過(guò)PID控制算法調(diào)節(jié)，其誤差逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。綜合來(lái)看，該控制系統(tǒng)不管在面對(duì)干擾信號(hào)時(shí)，能夠較好地追蹤理想位置，調(diào)節(jié)速度快，并且具有較小的誤差。

四、控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

控制系統(tǒng)采用模塊化編程，將系統(tǒng)初始化、驅(qū)動(dòng)、PS2無(wú)線遙控、避障等功能分解為獨(dú)立可復(fù)用的模塊，每個(gè)模塊專注于特定任務(wù)或功能，并通過(guò)明確定義的通信方式進(jìn)行交互。

（一）主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化工作，包括對(duì)時(shí)鐘、延時(shí)函數(shù)、定時(shí)器等進(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)主程序流程如圖5所示，初始化完成后，系統(tǒng)進(jìn)入等待命令狀態(tài)。當(dāng)收到無(wú)線遙控手柄指令時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)程序，完成航行方式，并實(shí)時(shí)檢測(cè)是否有障礙物。如果檢測(cè)到障礙物，則立即調(diào)用避障模塊進(jìn)行制動(dòng)。如果沒(méi)有障礙物，則繼續(xù)執(zhí)行無(wú)線遙控指令，直到任務(wù)結(jié)束。

（二）驅(qū)動(dòng)模塊程序設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)模塊子程序初始化后，根據(jù)電機(jī)期望轉(zhuǎn)速和狀態(tài)設(shè)置PWM值以控制電機(jī)速度和方向。使用霍爾式編碼器測(cè)量電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，通過(guò)定時(shí)計(jì)數(shù)器捕獲脈沖信號(hào)數(shù)量，并利用增量式PID算法對(duì)速度偏差進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，確保電機(jī)穩(wěn)定保持目標(biāo)速度，使無(wú)人艇運(yùn)動(dòng)更加平滑和精準(zhǔn)。

（三）避障模塊程序設(shè)計(jì)

避障模塊子程序初始化完成后，設(shè)置不同制動(dòng)函數(shù)，其中包含不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速方向和速度，避障模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)是否有障礙物，當(dāng)檢測(cè)到障礙物時(shí)，OUT端口輸出低電平信號(hào)并判斷航行方向，進(jìn)而調(diào)用相應(yīng)的制動(dòng)函數(shù)，使水面無(wú)人艇得到相反的推力，克服慣性停止下來(lái)。

五、測(cè)試

本設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)一個(gè)具備運(yùn)動(dòng)控制和緊急制動(dòng)功能的水面無(wú)人艇，能夠根據(jù)PS2無(wú)線手柄傳輸?shù)目刂菩盘?hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，并在遇到障礙物時(shí)自動(dòng)實(shí)施緊急制動(dòng)。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)目標(biāo)，按照以下描述進(jìn)行測(cè)試：

1）進(jìn)行PS2無(wú)線手柄信號(hào)穩(wěn)定測(cè)試：使用手柄的搖桿、按鈕等進(jìn)行連續(xù)30分鐘的操作，驗(yàn)證無(wú)人艇能夠在可遙控距離內(nèi)穩(wěn)定受控。

2）進(jìn)行避障模塊檢測(cè)區(qū)域測(cè)試并進(jìn)行整體功能測(cè)試：確認(rèn)避障模塊安裝后可以檢測(cè)無(wú)人艇前后端的范圍，并結(jié)合PS2無(wú)線手柄控制和緊急制動(dòng)功能進(jìn)行整體功能測(cè)試。

經(jīng)過(guò)測(cè)試和調(diào)試，結(jié)果顯示避障模塊可檢測(cè)的范圍是無(wú)人艇前后端90°扇形區(qū)域。同時(shí)，無(wú)線手柄的控制信號(hào)穩(wěn)定可靠，在30次遙控測(cè)試中，有28次能夠?qū)崿F(xiàn)緊急制動(dòng)，成功率達(dá)到93%。圖6展示了無(wú)人艇水面測(cè)試的情況。

結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的以STM32單片機(jī)為核心處理器的水面無(wú)人艇，能夠通過(guò)PS2無(wú)線手柄進(jìn)行多種航行方式控制，結(jié)合增量式PID控制算法實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。此外，添加避障模塊和緊急制動(dòng)功能，提升航行安全性。該系統(tǒng)具備簡(jiǎn)單、低能耗和便捷操作等特點(diǎn)，為水面無(wú)人艇的遙控控制和安全性提供了可行解決方案，具有應(yīng)用價(jià)值。