劉瑞 丁 浩 胡亞偉 李銘盛 吳順達(dá)

摘 要：無人船在水質(zhì)檢測、采樣、巡邏等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。針對無人船傳輸數(shù)據(jù)實(shí)時性差的問題，利用4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)合數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行無人船與控制中心之間的數(shù)據(jù)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(shè)計無人船控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無人船的自動巡航;針對無人船無法自動處理突發(fā)情況的問題，采用移動端、遙控器、服務(wù)器端多端控制的方法;針對無人船適應(yīng)環(huán)境能力較差的問題，采用PID算法進(jìn)行無人船的航向控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法可實(shí)現(xiàn)無人船的多端控制、數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸與自動巡航功能。

關(guān)鍵詞：無人船;樹莓派;多端控制;控制系統(tǒng)

DOI：10. 11907/rjdk. 182846 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）008-0119-04

Design of a Small Water Quality Monitoring Unmanned Ship Control System

LIU Rui1，DING Hao1，2，HU Ya-wei1，LI Ming-sheng1，WU Shun-da1

（1. School of Computer Science and Technology， Nantong University;

2. Nantong Research Institute for Advanced Communication Technologies， Nantong 226019，China）

Abstract：Unmanned boat has broad application prospects in water quality testing， sampling and patrol. In view of the problem that the unmanned ship with autonomy is expensive， the unmanned ship control system is designed with the Raspberry Pi as the control center， and the unmanned ship's autonomous obstacle avoidance is adopted by the angle potential field method. In the case that the situation cannot be handled automatically， the mobile terminal， the remote controller， and the server-side multi-end control method are adopted. For the problem that the unmanned ship is resistant to environmental problems， the PID algorithm is used for the heading control of the unmanned ship. The problem of poor real-time data is to use 4G network combined with data transmission module for data transmission between unmanned ship and control center. The actual experiments show that the above algorithm can realize the multi-end control， real-time data transmission and automatic cruise function of the unmanned ship.

Key Words： unmanned boat; Raspberry Pi; multi-end control; control system

基金項(xiàng)目：蘇州市前瞻性應(yīng)用研究項(xiàng)目（SYG201837）;南通市應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃項(xiàng)目（GY12016015）;南通大學(xué)—南通智能信息技術(shù)聯(lián)合研究中心開放課題項(xiàng)目（KFKT2017A06）

作者簡介：劉瑞（1994-），男，南通大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)橛嬎銠C(jī)應(yīng)用;丁浩（1980-），男，碩士，南通大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院講師，研究方向?yàn)橛嬎銠C(jī)應(yīng)用技術(shù)。

0 引言

無人艇的發(fā)展起源于第二次世界大戰(zhàn)，最初被作為一次性制導(dǎo)武器應(yīng)用于戰(zhàn)場，之后開始逐漸應(yīng)用于各個領(lǐng)域[1]。無人船相比于傳統(tǒng)由船員控制的船只，具有航程長、載重多、維護(hù)費(fèi)用低，且更適合行駛于危險復(fù)雜水域的優(yōu)勢，因此有著廣闊的應(yīng)用前景[2-4]。

目前無人船技術(shù)尚未完全成熟，尤其是單無人船控制系統(tǒng)設(shè)計及多無人船自動化系統(tǒng)設(shè)計一直是一個難點(diǎn)和挑戰(zhàn)[1]。針對無人船的控制系統(tǒng)問題，國內(nèi)外研究者開展了各種研究[5-8]。美國圣克拉拉大學(xué)（SCU）和蒙特利灣水族館研究所（MBARI）在2009年研制出SeaWASP用于環(huán)境監(jiān)測[9]。該船配備12V與24V電源總線，由6個12V密封鉛酸電池供電;2015年7月，云洲智能自主研發(fā)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(shè)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(wù);2018年1月，廣東華中科技大學(xué)工業(yè)技術(shù)研究院研發(fā)了HUSTER-12S無人艇，該無人艇配置了差分GPS、慣導(dǎo)、水質(zhì)監(jiān)測儀、攝像頭等傳感器，可完成水質(zhì)監(jiān)測、巡邏、多無人船協(xié)同巡邏等任務(wù)。然而，上述無人船均存在造價昂貴的問題。

本文實(shí)現(xiàn)了一種基于樹莓派的小型水質(zhì)監(jiān)測無人船控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的自主巡航與避障，還可以進(jìn)行船體的多端實(shí)時控制，以及船體狀態(tài)、監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸?shù)裙δ堋?/p>

1 無人船控制系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的小型無人船長1.2m，寬0.5m，并配備了水循環(huán)冷卻系統(tǒng)。電池采用太陽能電池，續(xù)航可達(dá)5h以上，速度可達(dá)15km/h。

1.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸單元、慣性測量單元連接。電機(jī)通過控制螺旋槳旋轉(zhuǎn)，控制無人船行進(jìn);舵機(jī)控制螺旋槳轉(zhuǎn)向以控制無人船航向;電調(diào)根據(jù)輸入的PWM信號控制電機(jī)方向和速度;樹莓派開發(fā)板是整個系統(tǒng)的核心，可對傳感器進(jìn)行控制;DTU為數(shù)據(jù)傳輸單元（Data Transfer Unit，DTU），用于無人船與數(shù)據(jù)中心的通信;IMU為慣性測量單元（Inertial Measurement Units，IMU），用于獲取無人船航向及位置信息;激光雷達(dá)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(tǒng)（電調(diào)、電機(jī)和舵機(jī)）供電;12V轉(zhuǎn)5V變壓器用于將12V電源轉(zhuǎn)換為5V，為樹莓派、DTU、IMU及激光雷達(dá)供電。無人船硬件組成及連線如圖1所示。

圖1 無人船硬件組成及連線

1.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分分為樹莓派、Web API、桌面程序與Android程序。樹莓派接收服務(wù)器端命令與傳感器數(shù)據(jù)對船體進(jìn)行控制;桌面程序和Android程序通過Web API對無人船進(jìn)行遠(yuǎn)程控制;Web API接收控制請求并發(fā)送至樹莓派，同時監(jiān)聽并處理樹莓派傳回的數(shù)據(jù)。4個模塊之間的信息流動如圖2所示。

2 硬件控制

2.1 PWM波

PWM（Paulse-Width Modulation）是一種將信息編碼為脈沖信號的調(diào)制方法，目前PWM主要用于控制電器設(shè)備的功率輸出，尤其是慣性荷載，如電動機(jī)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(nèi)重復(fù)的次數(shù)，單位為Hz;占空比是指在每個周期內(nèi)，高電平時間占周期時間的百分比。目前業(yè)內(nèi)慣用的電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速越快。PWM波既可以采用硬件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件模擬輸出[12-13]。

對電機(jī)與舵機(jī)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(jī)而言，占空比在9.5%-12.8%之間時向左轉(zhuǎn)，占空比在6.25%-9.5%之間時向右轉(zhuǎn)，且占空比偏離9.5%越多，則轉(zhuǎn)的越多;對于電機(jī)而言，占空比在9.5%-12.8%之間時反轉(zhuǎn)，占空比在6.25%-9.5%之間時正轉(zhuǎn)，占空比偏離9.5%越多，則轉(zhuǎn)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(nèi)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(huán)輸出即可。詳細(xì)流程如圖3所示。

圖3 模擬輸出PWM波流程

2.2 電機(jī)與舵機(jī)控制

舵機(jī)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(fù)極，SIG引腳則連接樹莓派開發(fā)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(jī)不同，樹莓派并不是直接控制電機(jī)，而是通過輸出PWM方波給電調(diào)（ESC），從而間接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向與轉(zhuǎn)動速度。電調(diào)與舵機(jī)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(fù)極，SIG引腳則連接樹莓派開發(fā)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(dá)

自20世紀(jì)60年代左右激光出現(xiàn)后，激光雷達(dá)得到了迅速發(fā)展。時至今日，激光雷達(dá)相比于其它同類傳感器，具有經(jīng)濟(jì)、可靠的優(yōu)勢[14]。本文采用的激光雷達(dá)是砝石公司FaseLase 最新研制的一款小型，且較為經(jīng)濟(jì)的二維激光掃描雷達(dá)，其可以探測周邊360°范圍10m內(nèi)的環(huán)境信息。

該激光雷達(dá)通信方式為UART_TTL串口，比特率為230 400bps，其二進(jìn)制輸出為4字節(jié)一組，包含距離值和角度值，角度精度為1/16度。

3 數(shù)據(jù)處理與導(dǎo)航控制

3.1 DTU配置與使用

DTU是將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)或?qū)P數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)，并通過4G通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送的無線終端設(shè)備，可以大大增加無人船通信范圍，并在任何地方都保持與服務(wù)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(fù)極，連接好DTU后插入SIM卡，最后配置DTU連接的服務(wù)器IP地址和端口號。

3.2 信息采集

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(dāng)前的三維姿態(tài)，也可以用于追蹤3D運(yùn)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，115 200bps，8 位數(shù)據(jù)位，1 位停止位，無校驗(yàn)。IMU上電啟動準(zhǔn)備完成后，等收到START 報文才開始按固定頻率自動發(fā)送數(shù)據(jù)包，直至收到STOP報文后停止;然后根據(jù)數(shù)據(jù)包格式，不斷讀取串口;最后將接收到的數(shù)據(jù)整理成數(shù)據(jù)包并進(jìn)行校驗(yàn)，檢驗(yàn)通過則讀取數(shù)據(jù)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(dǎo)航

航向控制是無人船自動導(dǎo)航中必須解決的問題之一，本文采用PID對無人船進(jìn)行航向控制。PID（Proportion Integration Differentiation）控制器作為最早實(shí)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(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器之一[17-18]。

自動導(dǎo)航的硬件基礎(chǔ)是樹莓派，樹莓派是一款經(jīng)濟(jì)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(tǒng)，并通過Python等程序設(shè)計語言很方便地實(shí)現(xiàn)對硬件的控制與交互[20]。在自動導(dǎo)航時，樹莓派通過IMU收集船體位置與航向數(shù)據(jù)，計算無人船的下一步航向角度，當(dāng)船體需要左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)時，控制舵機(jī)完成相應(yīng)動作。

3.4 遠(yuǎn)程控制

自動導(dǎo)航是無人船的基礎(chǔ)功能，而在開發(fā)自動導(dǎo)航過程中，無人船不可避免地會出現(xiàn)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(shè)計用戶可通過Android端或桌面端遠(yuǎn)程控制無人船，且其優(yōu)先級高于自動導(dǎo)航，以方便用戶在自動導(dǎo)航出現(xiàn)異常或意外時迅速接管無人船的控制權(quán)。

當(dāng)用戶在任意終端發(fā)出遠(yuǎn)程控制請求時，都會向服務(wù)器端的Web API發(fā)送相應(yīng)請求。Web API接收到請求后，根據(jù)相應(yīng)參數(shù)向DTU寫入指令。同時在無人船上，樹莓派開發(fā)板中始終有一個進(jìn)程在監(jiān)聽DTU的通信，當(dāng)收到Web API發(fā)送的指令時，樹莓派將終止自動導(dǎo)航程序并執(zhí)行相應(yīng)的遠(yuǎn)程控制指令，從而實(shí)現(xiàn)人工遠(yuǎn)程控制。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)測試在南通大學(xué)的中心湖中進(jìn)行，首先在水域上設(shè)定起始點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)區(qū)域（直徑1m的圓），無人船通過自動導(dǎo)航依次到達(dá)每個目標(biāo)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)場景如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)場景

將無人船姿態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)椒?wù)器進(jìn)行保存，首先依次設(shè)定環(huán)形軌跡、Z字形軌跡，得到GPS軌跡如圖6、圖7所示。

圖6 自動導(dǎo)航環(huán)形航行

圖7 自動導(dǎo)航Z字型航行

其中空心圓為目標(biāo)點(diǎn)區(qū)域，圖6中黑色點(diǎn)表示無人船航行位置，圖7中箭頭為無人船航行點(diǎn)以及航行方向。從圖中可以看出，無人船較為平穩(wěn)地航向各目標(biāo)點(diǎn)區(qū)域，并且在航行至目標(biāo)點(diǎn)區(qū)域后，迅速轉(zhuǎn)向下一目標(biāo)點(diǎn)，直至到達(dá)最終目標(biāo)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)證明了本文系統(tǒng)的可行性及穩(wěn)定性。

5 總結(jié)與展望

本文采用樹莓派進(jìn)行中樞控制，DTU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，IMU進(jìn)行無人船姿態(tài)獲取，并采用PID算法進(jìn)行航向控制，從而實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)點(diǎn)航行、多端隨時隨地控制、數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)裙δ?，具有價格低廉、控制方便快捷等優(yōu)點(diǎn)。但在實(shí)際環(huán)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(shí)現(xiàn)真正意義上的自動巡航。

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（責(zé)任編輯：黃 ?。?/p>