溫景松 仲偉波 馮友兵 姚旭洋

摘 ?要： 采用模塊化設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于紅外信號(hào)導(dǎo)引的智能航行控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由紅外導(dǎo)引信號(hào)采集模塊、船模運(yùn)動(dòng)控制模塊及驅(qū)動(dòng)模塊組成。采用雙向比較分析方法處理接收到的紅外導(dǎo)引信號(hào)，快速判定紅外導(dǎo)引信號(hào)的方向。采用PID控制策略，通過調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比控制船模的航速和航向。實(shí)船測試結(jié)果表明，雙向比較分析法能夠快速準(zhǔn)確地判定紅外導(dǎo)引信號(hào)方位，船模運(yùn)動(dòng)控制穩(wěn)定可靠，高航速下也有較好的導(dǎo)引方向判定和航行控制效果。

關(guān)鍵詞： 智能航行; 紅外導(dǎo)引; 模塊化設(shè)計(jì); 雙向比較分析; 信號(hào)處理; 航向判定; 實(shí)船測試

中圖分類號(hào)： TN219?34; TP273 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）20?0112?04

Design and implementation of intelligent navigation control system

guided by infrared signal

WEN Jingsong， ZHONG Weibo， FENG Youbing， YAO Xuyang

（School of Electronics and Information Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212003， China）

Abstract： An intelligent navigation control system based on infrared signal guidance is designed and implemented by means of modular design scheme. The system is composed of infrared guidance signal acquisition module， ship model motion control module and driver module. The received infrared guidance signal is processed by means of bidirectional comparative analysis method to quickly judge the azimuth of the infrared guidance signal. The PID control strategy is adopted to control the speed and course of ship model by adjusting the duty ratio of pulse width modulation signal. The actual ship test results show that the bidirectional comparative analysis method can quickly and accurately judge the azimuth of infrared guidance signal， make the ship model motion control stable and reliable， and has better guidance direction judgment and navigation control effect at high speed.

Keywords： intelligent navigation; infrared guidance; modular design; bidirectional comparative analysis; signal processing; course judgment; actual ship test

0 ?引 ?言

全國海洋航行器設(shè)計(jì)與制作大賽是我國船舶與海洋工程領(lǐng)域內(nèi)最為重要的競賽之一，其中船模智能航行比賽集船模設(shè)計(jì)和控制為一體，是大賽的比賽項(xiàng)目之一。船模智能航行比賽中船模自動(dòng)捕獲并跟蹤紅外導(dǎo)引信號(hào)，按照比賽系統(tǒng)給定的路線依次通過導(dǎo)引門，航線上共設(shè)10個(gè)引導(dǎo)門，引導(dǎo)門寬1.0 m，高0.4 m，每個(gè)引導(dǎo)門最大間距為20 m，賽道總長不超過150 m。引導(dǎo)門上有紅外導(dǎo)引信號(hào)，波長940 nm，發(fā)射軸線與水面平行。比賽船模需在10 min內(nèi)按照規(guī)定線路完成比賽則成績有效，用時(shí)少者勝[1]。

根據(jù)全國海洋航行器設(shè)計(jì)與制作大賽船模智能航行的比賽規(guī)則，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種船模智能航行控制方案：船模采用單槳單舵運(yùn)動(dòng)控制方式，根據(jù)紅外引導(dǎo)信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了紅外引導(dǎo)信號(hào)獲取方案和濾波處理方法，能夠準(zhǔn)確捕捉到導(dǎo)引門系統(tǒng)發(fā)出的紅外引導(dǎo)信號(hào)，采用PID控制方法對(duì)船模的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。所設(shè)計(jì)的紅外信號(hào)導(dǎo)引智能航行控制方案已被多個(gè)船模采用，并在多次全國海洋航行器設(shè)計(jì)與制作大賽中獲得優(yōu)異成績。

根據(jù)全國海洋航行器設(shè)計(jì)與制作大賽船模智能航行的比賽規(guī)則及其對(duì)動(dòng)力的要求，選用單體單槳單舵的船體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)控制模式，這種結(jié)構(gòu)具有阻力小、航速快、航向調(diào)節(jié)靈活、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。通過對(duì)成品船模加裝紅外引導(dǎo)信號(hào)采集盤和航行控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能航行功能。其中紅外引導(dǎo)信號(hào)采集盤高度要適中，既要保證能采集到紅外導(dǎo)引信號(hào)，還要保持船體的重心盡量靠下，防止船模在高速轉(zhuǎn)彎時(shí)發(fā)生側(cè)翻。

1 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件是船模智能航行的基礎(chǔ)，包括紅外導(dǎo)引信號(hào)采集處理模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊和驅(qū)動(dòng)模塊，整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 ?智能船?？刂葡到y(tǒng)架構(gòu)圖

根據(jù)船模智能航行的比賽規(guī)則，整個(gè)系統(tǒng)只能使用4節(jié)5號(hào)干電池。為了提高船模速度，需采用大功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)，但大功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)會(huì)導(dǎo)致電源輸出穩(wěn)定性差，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為此采用超級(jí)電容來提升系統(tǒng)的電源穩(wěn)定性和可靠性，選用4個(gè)100 F/2.7 V超級(jí)電容兩兩串聯(lián)后并聯(lián)作為紅外導(dǎo)引檢測和控制系統(tǒng)的電源，4節(jié)5號(hào)干電池通過單向二極管給電容充電，在大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行時(shí)也可以保證系統(tǒng)的電源穩(wěn)定和可靠。

根據(jù)船模智能航行比賽的引導(dǎo)信號(hào)特點(diǎn)，采用TSOP34838紅外一體化接收管作為紅外信號(hào)檢測傳感器，如圖2所示。將紅外引導(dǎo)信號(hào)接收模塊設(shè)計(jì)成圓盤形，圓盤邊緣均勻布置16個(gè)紅外信號(hào)檢測傳感器，外加黑色屏蔽罩減少噪聲及相鄰方向紅外信號(hào)干擾。為了方便調(diào)試與檢測，當(dāng)接收管接收到紅外信號(hào)對(duì)應(yīng)指示燈亮。紅外引導(dǎo)信號(hào)檢測電路實(shí)時(shí)將檢測結(jié)果交由STC15W單片機(jī)進(jìn)行處理，然后按設(shè)定頻率向運(yùn)動(dòng)控制模塊發(fā)送紅外引導(dǎo)信號(hào)方向數(shù)據(jù)，運(yùn)動(dòng)控制模塊據(jù)此進(jìn)行控制。

圖2 ?紅外導(dǎo)引信號(hào)檢測模塊

控制模塊主控芯片為STC15W系列芯片，該芯片接口多、集成度高、工作電壓范圍寬。采用單片機(jī)自帶的兩路PWM端口分別控制直流電機(jī)和舵機(jī)，取代使用定時(shí)器產(chǎn)生PWM信號(hào)的方法，有效節(jié)省了CPU資源[2]。驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)運(yùn)動(dòng)控制模塊輸出的兩路PWM信號(hào)進(jìn)行處理，控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速和舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，達(dá)到對(duì)船模航速和航向的控制。驅(qū)動(dòng)模塊PWM信號(hào)輸入端先采用光耦進(jìn)行隔離，經(jīng)過NMOSFET管放大輸出。上述方案可以有效減少電機(jī)工作電路部分對(duì)控制電路的影響，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[3?4]。

2 ?控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要包括紅外引導(dǎo)信號(hào)檢測和數(shù)據(jù)處理，從而獲取準(zhǔn)確的引導(dǎo)信號(hào)方向，船模運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)引導(dǎo)信號(hào)方向和當(dāng)前的航速與航向，采用PID控制方法計(jì)算船模槳舵控制電機(jī)的工作參數(shù)，并由控制芯片產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)輸出至驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)船模的運(yùn)動(dòng)控制[5?7]。系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。

根據(jù)規(guī)則，船模智能航行比賽中的紅外引導(dǎo)信號(hào)符合NEC協(xié)議，即包括9 ms的高電平、4.5 ms的低電平、4個(gè)字節(jié)地址碼和命令碼。由此可知紅外引導(dǎo)信號(hào)發(fā)射周期約為66 ms，并且一個(gè)周期內(nèi)紅外傳感器可以接收到有效信號(hào)的時(shí)間約為27 ms，約占整個(gè)編碼信號(hào)周期的40%。為此，系統(tǒng)每隔33 μs檢測一次紅外信號(hào)，如果端口檢測到紅外信號(hào)對(duì)此端口計(jì)數(shù)值加1，采集200次統(tǒng)計(jì)檢測到紅外信號(hào)的有效次數(shù)，若紅外信號(hào)有效次數(shù)大于60次，則認(rèn)為該方向有紅外引導(dǎo)信號(hào)存在。

實(shí)際中紅外引導(dǎo)信號(hào)采集盤會(huì)收到來自不同方向的紅外信號(hào)，需要通過處理來確定紅外引導(dǎo)信號(hào)的方向。本文采用雙向比較分析方法進(jìn)行信號(hào)處理，具體方法如下：

首先對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，把采集盤正后方傳感器的信號(hào)丟掉，余下的15個(gè)信號(hào)提取出來分別存入2個(gè)字節(jié)中，正前方信號(hào)作為2個(gè)字節(jié)的公用位分別存入字節(jié)1和字節(jié)2中的L0和R0位，每一位分別代表對(duì)應(yīng)紅外接收傳感器信號(hào)端的狀態(tài)，狀態(tài)1代表接收到紅外信號(hào)，狀態(tài)0代表無紅外信號(hào)。高位代表最左邊信號(hào)和最右邊信號(hào)，具體處理流程如圖4所示。

通過雙向比較分析方法可以快速判斷信號(hào)發(fā)射源的準(zhǔn)確方位，負(fù)度數(shù)代表左偏方位，正度數(shù)代表右偏方位。

圖3 ?控制系統(tǒng)軟件流程圖

船模航行過程中由于紅外引導(dǎo)信號(hào)漏檢，或者船模駛?cè)胄盘?hào)盲區(qū)等原因造成短暫信號(hào)丟失，此時(shí)系統(tǒng)先保持船模直行，打開定時(shí)器監(jiān)測信號(hào)丟失時(shí)間，當(dāng)信號(hào)丟失時(shí)間超過設(shè)定時(shí)間，系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)丟失處理策略，即船模立即降速并緩慢轉(zhuǎn)彎并搜尋紅外引導(dǎo)信號(hào)。

船模在水中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律比較復(fù)雜，很難用一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型描述。PID控制是一種簡單、控制參數(shù)物理意義明確、基于誤差消除誤差策略的控制算法，不依賴被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型也能夠得到較好的控制效果，被廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)閉環(huán)控制。本文采用PID控制方法對(duì)船模航向進(jìn)行控制，船頭方向和紅外信號(hào)發(fā)射源的方向夾角作為PID控制器的偏差E輸入，R（t）為0°，即船頭方向正對(duì)紅外發(fā)射源，控制器的輸出為PWM脈寬，通過驅(qū)動(dòng)模塊控制舵機(jī)的偏轉(zhuǎn)角度。航速主要根據(jù)船模的航向設(shè)定，船模航向角越大速度越小，當(dāng)船模正對(duì)紅外引導(dǎo)信號(hào)方向時(shí)速度達(dá)到最大[8?9]。

為了方便智能船模的調(diào)試，采用基于NRF24L01的短距離無線數(shù)據(jù)通信模塊，在船模航行過程中通過上位機(jī)監(jiān)測船模對(duì)紅外信號(hào)的檢測和濾波處理情況，為船模參數(shù)的調(diào)試提供參考[10]。圖5為船模航行過程中某一時(shí)刻信號(hào)的采集和濾波處理情況，綠色指針代表濾波處理后輸出的方位角。船模改造完成后先進(jìn)行了各模塊的功能測試，功能測試通過后又在船模智能航行比賽系統(tǒng)中進(jìn)行了整體測試。測試結(jié)果表明，本文給出的設(shè)計(jì)結(jié)果滿足船模智能航行比賽要求。

圖5 ?上位機(jī)紅外信號(hào)監(jiān)測

3 ?結(jié) ?語

根據(jù)全國海洋航行器設(shè)計(jì)制作大賽艦船智能航行比賽規(guī)則，從船?？刂葡到y(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、精確性出發(fā)研制了一套軟硬件結(jié)合基于紅外引導(dǎo)的智能航行船模。智能航行船模的關(guān)鍵是紅外引導(dǎo)信號(hào)的采集與處理，系統(tǒng)采用雙向比較分析方法有效確保紅外信號(hào)方位判斷的正確性。通過上位機(jī)在線監(jiān)測控制系統(tǒng)變量信息，經(jīng)過多次試驗(yàn)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，獲得了較好的航向航速協(xié)同控制效果。基于上述設(shè)計(jì)方案完成的船模參加了多屆全國海洋航行器設(shè)計(jì)與制作大賽智能航行比賽，獲得優(yōu)秀成績，證明了本文給出的設(shè)計(jì)方案穩(wěn)定可靠。

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