葉楠，王祥，劉懷芝

(1.中船重工鵬力(南京)大氣海洋信息系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 210000；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)南京鵬力科技集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

無(wú)人艇作為一種無(wú)人化水上平臺(tái)，軍事上可以擴(kuò)大現(xiàn)有作戰(zhàn)能力，具有查打功能、可根據(jù)任務(wù)進(jìn)行配置的智能無(wú)人艇，能夠以較低成本迅速?gòu)浹a(bǔ)我軍在非對(duì)稱(chēng)作戰(zhàn)體系中的不足，對(duì)提高海上作戰(zhàn)能力具有重大意義[1-3]。民用方面，無(wú)人艇在海洋、大型湖泊等復(fù)雜危險(xiǎn)海況下的巡邏、監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)警與救災(zāi)等方面有重要的應(yīng)用價(jià)值。隨著無(wú)人智能航行技術(shù)的發(fā)展，可在水面水下不同環(huán)境下航行的智能無(wú)人艇成為主流的發(fā)展趨勢(shì)，其通信鏈路的暢通、導(dǎo)航定位的精準(zhǔn)、控制命令的正確都關(guān)系到水面水下航行無(wú)人艇的航行安全，是航行的最基本條件[4-6]。因此無(wú)人艇的綜合測(cè)控裝置功能和性能是檢驗(yàn)無(wú)人艇智能化水平的最重要指標(biāo)之一。

目前小型無(wú)人航行器的測(cè)控裝置多由國(guó)外公司如Hydroid 或藍(lán)鰭公司長(zhǎng)期不斷開(kāi)發(fā)和完善，形成了技術(shù)壟斷。從我國(guó)目前已有的技術(shù)與產(chǎn)品看，無(wú)人航行器專(zhuān)用的測(cè)控裝置還處于初期階段，產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)程度還未成熟，與軍民實(shí)際需求仍有不小的差距，具有較大的發(fā)展空間。

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32 微控制器的無(wú)人艇測(cè)控裝置，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇航行過(guò)程中各類(lèi)信息的采集、處理、運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)共享，經(jīng)測(cè)試，該裝置功能多樣、穩(wěn)定性高、智能化水平高，在無(wú)人水面航行器領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

1 總體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的無(wú)人艇測(cè)控裝置主要由信息采集控制板、穩(wěn)壓電源、接口端子和結(jié)構(gòu)外殼組成。其中信息采集控制板由6 個(gè)模塊組成，分別為主控模塊、信號(hào)采集接口模塊、通信接口模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口模塊和電源模塊。無(wú)人艇測(cè)控裝置安裝于無(wú)人艇艇體中，與艇上其他傳感通信設(shè)備相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知、通信導(dǎo)航、運(yùn)動(dòng)控制等多種功能。無(wú)人艇測(cè)控裝置總體設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 無(wú)人艇測(cè)控裝置總體設(shè)計(jì)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

考慮到功能要求及低功耗設(shè)計(jì)，信息采集控制板采用ST 公司Cortex-M4 內(nèi)核的STM32F407ZET6 微控制器作為主控核心，其資源豐富，主頻高達(dá)180 MHz，2 MB Flash，256 KB SRAM，帶LCD_TFT 控制，5 個(gè)UART，17 個(gè)定時(shí)器，6 個(gè)SPI 以及3 個(gè)IIC，支持SDIO，24 通道12 位A/D，帶LCD 控制，支持USB2.0(host/device/OTG)，支持SD 卡，支持內(nèi)部RTC 等，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。以STM32 微控制器為核心的主控模塊負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)整個(gè)裝置的運(yùn)行，完成各個(gè)任務(wù)功能的有序調(diào)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)交互和電機(jī)控制等功能。

2.2 信號(hào)采集接口模塊

信號(hào)采集接口模塊預(yù)留了包括RS232、RS485、RS422、電壓/電流采集、IO 口等多個(gè)數(shù)字和模擬信號(hào)采集接口，可方便接入多類(lèi)型設(shè)備。同時(shí)，各接入設(shè)備的供電線(xiàn)路，均與信號(hào)采集模塊的板載繼電器進(jìn)行連接，由主控模塊進(jìn)行統(tǒng)一控制，實(shí)現(xiàn)故障恢復(fù)，并可在無(wú)人艇低功耗狀態(tài)下關(guān)閉非必需外接設(shè)備。

2.3 通信接口模塊

通信接口模塊預(yù)留包括RS232、RJ45 等接口，主控模塊將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)通信接口模塊傳至數(shù)傳電臺(tái)、4G網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)等通信設(shè)備，進(jìn)而上傳至岸基上位機(jī)，同時(shí)反向接收岸基上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的控制命令。

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊通過(guò)SD 卡存儲(chǔ)電路實(shí)現(xiàn)，主要完成無(wú)人艇測(cè)控裝置在正常工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生的包括通信指令、目標(biāo)位置、氣象水文環(huán)境要素、自身狀態(tài)等各類(lèi)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，供實(shí)時(shí)計(jì)算及后續(xù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)需要。

2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口模塊主要實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇動(dòng)力電機(jī)的正反向及轉(zhuǎn)速控制，包括RS485 數(shù)字驅(qū)動(dòng)及D/A 模擬量驅(qū)動(dòng)。本裝置設(shè)計(jì)的D/A 模擬量驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)±5 V 的電壓輸出，采用PWM 通過(guò)調(diào)整占空比的模式來(lái)實(shí)現(xiàn)，±7.5 V電路利用運(yùn)放的“虛短、虛斷”的特性獲得，±5 V 電壓通過(guò)調(diào)節(jié)PWM 占空比獲得，電路圖如圖2 所示。

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口電路

2.6 電源模塊

信息采集控制板電源模塊與測(cè)控裝置穩(wěn)壓電源相連接，輸入采用DC24 V 輸入，輸入范圍為9～33 V，輸出12 V 以及5 V。首先通過(guò)DC-DC 將輸入電壓變?yōu)?2 V；其中12 V 分為兩路，一路給自身控制板提供電壓，另一路給外設(shè)供電。電源芯片選擇TPS54331，該芯片應(yīng)用方便，所需要的外圍電路簡(jiǎn)單，容易布局布線(xiàn)；5 V 通過(guò)LDO變?yōu)?.3 V 為主控芯片供電，LDO 選擇SPX1117-3.3 V，此芯片最大電流可以達(dá)到1 A，可以滿(mǎn)足應(yīng)用需要。電路圖如圖3 所示。

圖3 供電電路

3 軟件設(shè)計(jì)

考慮到無(wú)人艇運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的多任務(wù)及實(shí)時(shí)特性，無(wú)人艇測(cè)控裝置在嵌入式軟件設(shè)計(jì)上以μC/OS-II 嵌入式操作系統(tǒng)為核心，結(jié)合硬件系統(tǒng)資源及目標(biāo)功能，將各種輸入/輸出設(shè)備相關(guān)的功能劃分為不同的任務(wù)，主要包括數(shù)據(jù)采集任務(wù)、信息交互任務(wù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)、電機(jī)控制任務(wù)、自主航行任務(wù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)任務(wù)等。無(wú)人艇測(cè)控裝置嵌入式軟件整體工作流程如圖4 所示。

圖4 嵌入式軟件整體工作流程

3.1 數(shù)據(jù)采集任務(wù)

無(wú)人艇測(cè)控裝置數(shù)據(jù)采集任務(wù)主要完成GPS 設(shè)備、慣導(dǎo)設(shè)備、雷達(dá)聲納設(shè)備、氣象水文設(shè)備等的數(shù)據(jù)采集，當(dāng)有數(shù)據(jù)發(fā)送到采集的端口時(shí)，將進(jìn)入相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集程序中，若接收到該數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)起始特征位，則開(kāi)始接收數(shù)據(jù)，同時(shí)將接收到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入到緩存區(qū)，若沒(méi)有接收到數(shù)據(jù)起始特征位，則將丟棄數(shù)據(jù)，等待下一次的數(shù)據(jù)接收。當(dāng)接收到數(shù)據(jù)結(jié)束特征位時(shí)，數(shù)據(jù)接收結(jié)束，進(jìn)入程序處理部分。若沒(méi)有接收到數(shù)據(jù)尾，將繼續(xù)接收數(shù)據(jù)直到接收到數(shù)據(jù)的結(jié)束特征位。數(shù)據(jù)采集流程如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集流程圖

3.2 信息交互任務(wù)

本設(shè)計(jì)中，無(wú)人艇測(cè)控裝置與岸基上位機(jī)之間通過(guò)數(shù)傳電臺(tái)、4G 網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)探測(cè)數(shù)據(jù)與控制命令的秒級(jí)實(shí)時(shí)傳輸。為保證數(shù)據(jù)的可靠性和可擴(kuò)展性，本裝置采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式完成信息交互任務(wù)，具體數(shù)據(jù)格式如表1 所示。

表1 與上位通信數(shù)據(jù)格式

當(dāng)無(wú)人艇測(cè)控裝置接收到上位機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)，首先要對(duì)接收到的數(shù)據(jù)正確性進(jìn)行檢測(cè)，若檢測(cè)不通過(guò)，數(shù)據(jù)將被丟棄；若數(shù)據(jù)檢測(cè)正確，程序?qū)⒆x取數(shù)據(jù)類(lèi)型標(biāo)識(shí)符的識(shí)別來(lái)判斷數(shù)據(jù)的類(lèi)型，然后根據(jù)數(shù)據(jù)類(lèi)型標(biāo)識(shí)符對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并存儲(chǔ)至相應(yīng)公共變量中。上位機(jī)至無(wú)人艇測(cè)控裝置的通信流程圖如圖6 所示。

圖6 上位機(jī)至無(wú)人艇測(cè)控裝置的通信流程

3.3 電機(jī)控制任務(wù)

在無(wú)人艇航行過(guò)程中，遠(yuǎn)程遙控模式及自主航行模式下均需要通過(guò)無(wú)人艇測(cè)控裝置完成轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速控制電機(jī)的驅(qū)動(dòng)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇的運(yùn)動(dòng)控制[7-9]。首先主控模塊通過(guò)航向及航速預(yù)設(shè)值解算出轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速電機(jī)的控制值，并向電機(jī)接口驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)送指令，使其形成相對(duì)應(yīng)的模擬量輸出值并向電機(jī)輸入，其次，信號(hào)采集接口模塊實(shí)時(shí)采集電機(jī)反饋數(shù)據(jù)及艇體航行數(shù)據(jù)，判讀是否到達(dá)預(yù)設(shè)值，如到達(dá)，結(jié)束此次控制，并生成新的航向及航速預(yù)設(shè)值；如未到達(dá)，重復(fù)以上過(guò)程。電機(jī)控制流程如圖7 所示。

圖7 電機(jī)控制任務(wù)流程

3.4 自主航行任務(wù)

無(wú)人艇測(cè)控裝置自主航行任務(wù)主要是通過(guò)當(dāng)前GPS 數(shù)據(jù)、慣導(dǎo)數(shù)據(jù)及岸基上位機(jī)系統(tǒng)發(fā)來(lái)的目標(biāo)點(diǎn)跡組，實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇按預(yù)定航跡自主航行任務(wù)[10-15]。航跡控制的結(jié)構(gòu)框圖如圖8 所示。它由三個(gè)閉環(huán)控制組成：外環(huán)航跡控制環(huán)、中間航向控制環(huán)、內(nèi)部舵角控制環(huán)。航跡控制環(huán)將GPS 設(shè)備接收到的無(wú)人艇位置信息同規(guī)劃航線(xiàn)作比較，計(jì)算出航跡偏差，由航跡控制算法解算后向航向控制單元發(fā)送一個(gè)能夠消除航跡偏差的目標(biāo)航向；航向控制環(huán)則將由GPS 設(shè)備和慣性導(dǎo)航獲取的無(wú)人艇實(shí)際航向與目標(biāo)航向進(jìn)行比較，得到航向偏差信號(hào)，通過(guò)航向控制算法向舵角控制環(huán)發(fā)送一個(gè)命令舵角；舵角控制環(huán)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)伺服系統(tǒng)使實(shí)際舵角與命令舵角相一致，通過(guò)航向控制和舵角控制共同作用以消除航向偏差，三個(gè)閉環(huán)共同作用使無(wú)人艇向消除航跡偏差的方向航行從而實(shí)現(xiàn)航跡跟蹤控制。

具體算法以無(wú)人艇當(dāng)前GPS 坐標(biāo)點(diǎn)O(Oj，Ow)為圓心，以設(shè)定的可視半徑R 建立圓的方程，以設(shè)定路徑的上一目標(biāo)點(diǎn)A(Aj，Aw)和下一目標(biāo)點(diǎn)B(Bj，Bw)建立航跡直線(xiàn)方程，取距離下一目標(biāo)點(diǎn)最近的交點(diǎn)P(Pj，Pw)為實(shí)際航行目標(biāo)點(diǎn)。計(jì)算公式如下：

根據(jù)O 點(diǎn)和P 點(diǎn)經(jīng)緯度可求得目標(biāo)航向，計(jì)算公式如下：

4 系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證無(wú)人艇測(cè)控裝置的各項(xiàng)功能，本裝置安裝在單槳單舵控制方式的無(wú)人艇中進(jìn)行跑船測(cè)試，測(cè)控裝置實(shí)物如圖9 所示。試驗(yàn)在揚(yáng)州芒稻河開(kāi)展，如圖10 所示，全程自主航行22.5 km，當(dāng)天海況二級(jí)，風(fēng)力三級(jí)，全程選取220 個(gè)目標(biāo)航路點(diǎn)。自主航行過(guò)程中，無(wú)人艇通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)與岸基進(jìn)行通信，通過(guò)上位機(jī)可實(shí)時(shí)顯示無(wú)人艇艇內(nèi)狀態(tài)及周?chē)h(huán)境視頻，如圖11 所示。

圖9 無(wú)人艇測(cè)控裝置實(shí)物圖

圖10 跑船試驗(yàn)

圖11 上位機(jī)監(jiān)控界面

無(wú)人艇實(shí)時(shí)傳輸?shù)腉PS 等信息記錄在岸基上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中，共29 000 多個(gè)經(jīng)緯度點(diǎn)，以緯度為橫坐標(biāo)，經(jīng)度為縱坐標(biāo)，將無(wú)人艇的目標(biāo)航線(xiàn)和實(shí)際航線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，如圖12 所示，無(wú)人艇能夠很好地沿著目標(biāo)航路點(diǎn)自主航行，航行期間無(wú)人艇測(cè)控裝置各項(xiàng)功能均可順利執(zhí)行。

圖12 實(shí)際航線(xiàn)與目標(biāo)航線(xiàn)對(duì)比圖

5 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的無(wú)人艇測(cè)控裝置以高性能的ARM Cortex-M4 內(nèi)核的STM32F407ZET6 微控制器為核心，以μC/OS-II 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為嵌入式軟件平臺(tái)，形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)硬件接口和標(biāo)準(zhǔn)軟件功能模塊，高效完成了數(shù)據(jù)采集、信息交互、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、電機(jī)控制、自主航行、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等各類(lèi)任務(wù)，可通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸設(shè)備與岸基上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與控制命令的實(shí)時(shí)傳輸。試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置可有效完成無(wú)人艇航行過(guò)程中的信息采集、處理、運(yùn)動(dòng)控制與數(shù)據(jù)交互等多種任務(wù)，在無(wú)人水面航行器領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用推廣價(jià)值。