水質監測無人船控制系統設計研究范文

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摘要：無人船在水質檢測、采樣、巡邏等方面有著廣闊的應用前景。針對無人船傳輸數據實時性差的問題，利用4G網絡結合數據傳輸模塊進行無人船與控制中心之間的數據傳輸；針對具有自主能力的無人船造價昂貴的問題，以樹莓派為控制中心設計無人船控制系統，實現無人船的自動巡航；針對無人船無法自動處理突發情況的問題，采用移動端、遙控器、服務器端多端控制的方法；針對無人船適應環境能力較差的問題，采用PID算法進行無人船的航向控制。實驗結果表明，該算法可實現無人船的多端控制、數據實時傳輸與自動巡航功能。

關鍵詞：無人船；樹莓派；多端控制；控制系統

引言

無人艇的發展起源于第二次世界大戰，最初被作為一次性制導武器應用于戰場，之后開始逐漸應用于各個領域［1］。無人船相比于傳統由船員控制的船只，具有航程長、載重多、維護費用低，且更適合行駛于危險復雜水域的優勢，因此有著廣闊的應用前景［2-4］。目前無人船技術尚未完全成熟，尤其是單無人船控制系統設計及多無人船自動化系統設計一直是一個難點和挑戰［1］。針對無人船的控制系統問題，國內外研究者開展了各種研究［5-8］。美國圣克拉拉大學（SCU）和蒙特利灣水族館研究所（MBARI）在2009年研制出SeaWASP用于環境監測［9］。該船配備12V與24V電源總線，由6個12V密封鉛酸電池進行供電；2015年7月，云洲智能自主研發了“方洲號”全自動測繪測量無人船［10］，該無人船能夠搭載單波束、多波束、ADCP等多種測繪測量設備，并能自動化地精確開展河流流速及流量測量、水文測繪、水庫庫容勘測、水深測量等多種任務；2018年1月，廣東華中科技大學工業技術研究院研發了HUSTER-12S無人艇，該無人艇配置了差分GPS、慣導、水質監測儀、攝像頭等傳感器，可完成水質監測、巡邏、多無人船協同巡邏等任務。然而，上述無人船均存在造價昂貴的問題。本文實現了一種基于樹莓派的小型水質監測無人船控制系統，可以實現復雜環境下的自主巡航與避障，還可以進行船體的多端實時控制，以及船體狀態、監測數據的實時傳輸等功能。

1無人船控制系統設計

本文設計的小型無人船長1.2m，寬0.5m，并配備了水循環冷卻系統。電池采用太陽能電池，續航可達5h以上，速度可達15km/h。

1.1控制系統硬件設計

控制系統采用太陽能電池作為供電電源，以樹莓派控制器為核心，通過串口與數據傳輸單元、慣性測量單元連接。電機通過控制螺旋槳旋轉，控制無人船行進；舵機控制螺旋槳轉向以控制無人船航向；電調根據輸入的PWM信號控制電機方向和速度；樹莓派開發板是整個系統的核心，可對傳感器進行控制；DTU為數據傳輸單元（DataTransferUnit，DTU），用于無人船與數據中心的通信；IMU為慣性測量單元（InertialMeasurementUnits，IMU），用于獲取無人船航向及位置信息；激光雷達用于探測周圍障礙物信息；12V電源用于為無人船的動力系統（電調、電機和舵機）供電；12V轉5V變壓器用于將12V電源轉換為5V，為樹莓派、DTU、IMU及激光雷達供電。無人船硬件組成及連線如圖1所示。

1.2控制系統軟件設計

系統軟件部分分為樹莓派、WebAPI、桌面程序與An⁃droid程序。樹莓派接收服務器端命令與傳感器數據對船體進行控制；桌面程序和Android程序通過WebAPI對無人船進行遠程控制；WebAPI接收控制請求并發送至樹莓派，同時監聽并處理樹莓派傳回的數據。4個模塊之間的信息流動如圖2所示。

2硬件控制

2.1PWM

波PWM（Paulse-WidthModulation）是一種將信息編碼為脈沖信號的調制方法，目前PWM主要用于控制電器設備的功率輸出，尤其是慣性荷載，如電動機等［11］。PWM波有兩個重要屬性：頻率與占空比。頻率是指PWM波在1s內重復的次數，單位為Hz；占空比是指在每個周期內，高電平時間占周期時間的百分比。目前業內慣用的電機控制方式為PWM方式，頻率一般是固定的，輸入占空比越大，電機轉速越快。PWM波既可以采用硬件進行實現，也可以用軟件模擬輸出［12-13］。對電機與舵機的控制都是以頻率為64Hz、占空比為9.5%的PWM信號為中心。對于舵機而言，占空比在9.5%-12.8%之間時向左轉，占空比在6.25%-9.5%之間時向右轉，且占空比偏離9.5%越多，則轉的越多；對于電機而言，占空比在9.5%-12.8%之間時反轉，占空比在6.25%-9.5%之間時正轉，占空比偏離9.5%越多，則轉的越快。本文使用軟件模擬方式輸出指定頻率與占空比的PMW波。模擬的基本思路是首先分別計算單位周期內輸出高電平與輸出低電平的時間，然后按照高低電平時間不斷將其循環輸出即可。詳細流程如圖3所示。

2.2電機與舵機控制

舵機有3個引腳，分別是VCC、GND和SIG。VCC引腳連接12V電源正極，GND引腳連接電源負極，SIG引腳則連接樹莓派開發板的GPIO.0引腳。為了減少控制信號干擾，GND引腳需要連接樹莓派的GND引腳。與控制舵機不同，樹莓派并不是直接控制電機，而是通過輸出PWM方波給電調（ESC），從而間接控制電機的轉動方向與轉動速度。電調與舵機類似，同樣有3個引腳，分別是VCC、GND和SIG。VCC引腳連接12V電源正極，GND引腳連接電源負極，SIG引腳則連接樹莓派開發板的GPIO.0引腳。同樣，為了減少干擾，GND引腳需要連接樹莓派的GND引腳。

2.3激光雷達

自20世紀60年代左右激光出現后，激光雷達得到了迅速發展。時至今日，激光雷達相比于其它同類傳感器，具有經濟、可靠的優勢［14］。本文采用的激光雷達是砝石公司FaseLase最新研制的一款小型，且較為經濟的二維激光掃描雷達，其可以探測周邊360°范圍10m內的環境信息。該激光雷達通信方式為UART_TTL串口，比特率為230400bps，其二進制輸出為4字節一組，包含距離值和角度值，角度精度為1/16度。

3數據處理與導航控制

3.1DTU配置與使用

DTU是將串口數據轉換為IP數據或將IP數據轉換為串口數據，并通過4G通信網絡進行傳送的無線終端設備，可以大大增加無人船的通信范圍，并在任何地方都保持與服務器的無線通信。本文采用的DTU主要有8個引腳，主要包括VCC、GND，兩個RS232串口（TX，RX）和一個485串口（A+，B）。該DTU能接受的電壓范圍為3V～12V，所以將DTU的VCC和GND引腳直接連接至12V電源的正負極，連接好DTU后插入SIM卡，最后配置DTU連接的服務器IP地址和端口號。

3.2信息采

IMU通過測量其三軸方向上的加速度、角速率和磁場［15］，可以獲知IMU當前的三維姿態，也可以用于追蹤3D運動［16］。本文采用集成AHRS與GPS功能的IMU采集位置信息及航向信息。IMU通過USB與樹莓派連接，通信方式為UART_TTL全雙工串口，115200bps，8位數據位，1位停止位，無校驗。IMU上電啟動準備完成后，等收到START報文才開始按固定頻率自動發送數據包，直至收到STOP報文后停止；然后根據數據包格式，不斷讀取串口；最后將接收到的數據整理成數據包并進行校驗，檢驗通過則讀取數據包，獲得傳感器返回位置與航向等信息。具體信息收集流程如圖4所示。

3.3自動導航

航向控制是無人船自動導航中必須解決的問題之一，本文采用PID對無人船進行航向控制。PID（ProportionIn⁃tegrationDifferentiation）控制器作為最早實用化的控制器，已有近百年歷史。其簡單易懂，使用中不需精確的系統模型等先決條件，因而成為應用最為廣泛的控制器之一［17-18］。自動導航的硬件基礎是樹莓派，樹莓派是一款經濟的、支持完全自定義與編程的微型電腦［19］。在樹莓派上可以安裝Linux操作系統，并通過Python等程序設計語言很方便地實現對硬件的控制與交互［20］。在自動導航時，樹莓派通過IMU收集船體位置與航向數據，計算無人船的下一步航向角度，當船體需要左轉或右轉時，控制舵機完成相應動作。

3.4遠程控制

自動導航是無人船的基礎功能，而在開發自動導航過程中，無人船不可避免地會出現各種意外情況，如失控、碰撞等。為了妥善處理這種情況，本文設計用戶可通過An⁃droid端或桌面端遠程控制無人船，且其優先級高于自動導航，以方便用戶在自動導航出現異常或意外時迅速接管無人船的控制權。當用戶在任意終端發出遠程控制請求時，都會向服務器端的WebAPI發送相應請求。WebAPI接收到請求后，根據相應參數向DTU寫入指令。同時在無人船上，樹莓派開發板中始終有一個進程在監聽DTU的通信，當收到WebAPI發送的指令時，樹莓派將終止自動導航程序并執行相應的遠程控制指令，從而實現人工遠程控制。

4實驗結果與分析

實驗測試在南通大學的中心湖中進行，首先在水域上設定起始點與目標點區域（直徑1m的圓），無人船通過自動導航依次到達每個目標點。實驗場景如圖5所示。將無人船姿態數據實時傳輸到服務器進行保存，首先依次設定環形軌跡、Z字形軌跡，得到GPS軌跡如圖6、圖7所示。其中空心圓為目標點區域，圖6中黑色點表示無人船航行位置，圖7中箭頭為無人船航行點以及航行方向。從圖中可以看出，無人船較為平穩地航向各目標點區域，并且在航行至目標點區域后，迅速轉向下一目標點，直至到達最終目標點。實驗證明了本文系統的可行性及穩定性。

5總結與展望

本文采用樹莓派進行中樞控制，DTU進行數據傳輸，IMU進行無人船姿態獲取，以及PID算法進行航向控制，從而實現了多目標點航行、多端隨時隨地控制、數據實時傳輸等功能，具有價格低廉、控制方便快捷等優點。但在實際環境中，會存在如礁石、海藻等障礙物，所以接下來需要在巡航過程中加入避障功能，以實現真正意義上的自動巡航。

作者：劉瑞 丁浩 胡亞偉 李銘盛 吳順達 單位：南通大學