張浩昱,劉 濤

( 哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，哈爾濱 150001)

一種微小型無人船控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及航向控制方法研究

張浩昱,劉 濤

( 哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，哈爾濱 150001)

無人船在保護(hù)海洋環(huán)境和開發(fā)海洋資源方面具有廣泛的應(yīng)用前景和市場(chǎng)價(jià)值；微型無人船研制成本低、機(jī)動(dòng)靈活、攜帶方便且易于開展實(shí)驗(yàn)，相比常規(guī)水面無人平臺(tái)有明顯優(yōu)勢(shì)；微小型無人船不僅可以用于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)，也可以作為海上通信中繼平臺(tái)，在軍事應(yīng)用領(lǐng)域也有其潛在應(yīng)用價(jià)值；文章設(shè)計(jì)了一種基于ARM的微小型無人船控制系統(tǒng)，同時(shí)進(jìn)行了詳細(xì)的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并通過水池實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)的有效性和實(shí)用性；此外，針對(duì)無人船航行過程中存在風(fēng)浪流混合干擾的問題，結(jié)合模糊控制技術(shù)和傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)，提出了一種模糊PD控制算法，實(shí)現(xiàn)了PD控制參數(shù)的在線自適應(yīng)優(yōu)化調(diào)整，進(jìn)行了相應(yīng)的水池試驗(yàn)并與傳統(tǒng)PD控制算法進(jìn)行了對(duì)比分析。

ARM；無人船控制；航向控制；模糊PD控制

0 引言

無人船是一種新型的海洋運(yùn)載平臺(tái)，在民用和軍事領(lǐng)域具有極其廣泛的應(yīng)用前景，可以進(jìn)行海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋氣象預(yù)報(bào)、通信中繼、領(lǐng)海監(jiān)視等工作。微型無人船研制成本低、機(jī)動(dòng)靈活、攜帶方便且易于開展實(shí)驗(yàn)，相比常規(guī)水面無人平臺(tái)有明顯優(yōu)勢(shì)。其控制系統(tǒng)多采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，易于快速集成，搭載不同的傳感器就可以完成不同的工作任務(wù)。隨著無人水上平臺(tái)的推廣以及相關(guān)定位、導(dǎo)航與控制技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的無人水上自主平臺(tái)將應(yīng)用于海洋監(jiān)測(cè)領(lǐng)域[1]。

美國(guó)和以色列在無人船的研究方面一直處于領(lǐng)先地位。世界其它國(guó)家也積極地開展了無人船的研究。美國(guó)研制的斯巴達(dá)偵察兵無人船，采用的是模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是一艘典型的高航速、高機(jī)動(dòng)性、模塊化的無人船。以色列的保護(hù)者號(hào)無人船，如圖2所示，是由以色列拉斐爾武器發(fā)展局所開發(fā)的，船長(zhǎng)9米，為剛性充氣艇，采用噴水推進(jìn)，最大航速超過30節(jié)。英國(guó)普利茅斯大學(xué)開發(fā)了無人船“Springer”號(hào)搭載了水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器，可應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)。

運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)研究，是無人船實(shí)現(xiàn)無人自主航行的關(guān)鍵技術(shù)之一。在無人船的航向控制方面，已有很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)的研究。國(guó)內(nèi)不少學(xué)者研究了多種不同智能控制及其混合控制方法，如哈爾濱工程大學(xué)朱齊丹提出了一種將反步法和非線性滑模觀測(cè)器相結(jié)合的控制方法，并且通過仿真數(shù)據(jù)證明了算法的有效性[2]。孟浩等人提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參考模型的航向智能自適應(yīng)算法，設(shè)計(jì)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制器，并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制算法的有效性[3]，但并未開展實(shí)際航行測(cè)試。一些歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的學(xué)者將基于PID及其改進(jìn)控制算法應(yīng)用到實(shí)際應(yīng)用中，目前對(duì)無人船的實(shí)際控制研究處于領(lǐng)先地位。意大利熱那亞大學(xué)設(shè)計(jì)了基于PD控制算法的航向控制器，之后結(jié)合PI控制技術(shù)和高增益控制技術(shù)提出了一種新的航向航速控制算法，并進(jìn)行了相應(yīng)的航行實(shí)驗(yàn)[4-5]。為了實(shí)現(xiàn)無人船在復(fù)雜海況下的自主航向控制，本文設(shè)計(jì)了一種無人船的模糊PD航向控制算法，并通過水池試驗(yàn)驗(yàn)證了該算法的有效性和可靠性。

1 無人船的自主運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

本文所研制的微小型無人船，船體采用玻璃鋼工藝加工完成，尺寸為1 600×480×460 mm，配備了水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)速可達(dá)25 km/h。船載控制系統(tǒng)以ARM控制器為核心，通過串口與三維電子羅盤、GPS模塊、無線電模塊通信，采用鋰電池作為供電電源；基于μCOS-II嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)指令的傳輸、獲取無人船的姿態(tài)信息、控制舵機(jī)角度和無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的功能，實(shí)現(xiàn)無人船的自主航向控制。采用LabWindows/CVI設(shè)計(jì)了岸基監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無人船位置、航向、速度等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控以及控制參數(shù)、航向、航速等指令的實(shí)時(shí)發(fā)送等功能。

1.1 船載控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

選用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位微控制器STM32F103ZET6作為船載控制系統(tǒng)的核心處理模塊，主頻為72 MHz，片內(nèi)FLASH容量為512k，具有多達(dá)80個(gè)IO、4個(gè)通用定時(shí)器、RS232等大量接口資源；采用DCM302B三維電子羅盤測(cè)量無人船航向、橫搖、縱搖姿態(tài)信息，航向測(cè)量精度可達(dá)0.5°；無線通訊部分采用SX1278的無線電通訊模塊，最大通訊距離為5 km，可以實(shí)現(xiàn)無線電信息收發(fā)，提供岸基與無人船的信息交互；螺旋槳采用直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用PWM接口進(jìn)行調(diào)速控制；舵機(jī)的控制也是PWM脈寬調(diào)制接口控制；控制系統(tǒng)的電源部分設(shè)計(jì)采用了控制用電和動(dòng)力用電分開的原則，控制用電供電電壓為5 V，電池容量5 000 mAh，動(dòng)力用電為16.8 V，電池容量30 000 mAh，續(xù)航時(shí)間為20-30分鐘?？刂葡到y(tǒng)的硬件系統(tǒng)組成見圖1所示。

圖1 無人船控制系統(tǒng)原理圖

1.2 船載控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

船載控制系統(tǒng)采用基于μCOS-II的嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)軟件模塊并行工作，包括航向控制任務(wù)模塊、航跡控制任務(wù)模塊、電子羅盤輸入任務(wù)模塊、無線電指令輸入任務(wù)模塊、GPS輸入任務(wù)模塊等。

本文在STM32控制器上移植了μCOS-II的嵌入式操作系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了船載控制系統(tǒng)的多任務(wù)調(diào)度。軟件部分具體設(shè)計(jì)主要包括利用定時(shí)器定時(shí)讀取三維電子羅盤角度信息，設(shè)定每隔200 ms讀取一次當(dāng)前的航向；控制IO引腳發(fā)出脈寬調(diào)制信號(hào)，脈寬調(diào)制信號(hào)通過定時(shí)器產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的偏轉(zhuǎn)和對(duì)無刷直流電機(jī)的調(diào)速控制；與無線電模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，無線電指令的收發(fā)主要是基于串口操作，船載控制系統(tǒng)通過串口中斷函數(shù)接收數(shù)據(jù)，并根據(jù)事先設(shè)定的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議控制無人船進(jìn)行不同的動(dòng)作；航向控制軟件算法通過讀取電子羅盤的輸出信息，與預(yù)期航向相比較得出偏差信號(hào)及其變化率，軟件算法實(shí)現(xiàn)的模糊控制器以偏差信號(hào)及其變化率為輸入，PD控制參數(shù)為輸出，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PD控制器控制參數(shù)的優(yōu)化，優(yōu)化后的無人船航向控制自適應(yīng)模糊PD控制器產(chǎn)生控制信號(hào)，通過改變PWM波的占空比來改變舵偏，最終實(shí)現(xiàn)了無人船的航向控制。

1.3 岸基監(jiān)測(cè)界面設(shè)計(jì)

岸基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括無線電模塊和岸上計(jì)算機(jī)，采用LabWindows/CVI軟件設(shè)計(jì)開發(fā)了監(jiān)測(cè)界面，具有指令收發(fā)功能，實(shí)時(shí)顯示無人船的經(jīng)緯度地理坐標(biāo)、航向和航速等信息，能夠遠(yuǎn)程操控?zé)o人船，還能夠修改控制參數(shù)。

2 無人船的模糊PD航向控制

無人船航向參數(shù)自整定模糊PD控制器可以實(shí)現(xiàn)PD控制器控制參數(shù)對(duì)各時(shí)刻航向角偏差、航向角偏差變化率的自適應(yīng)功能。利用模糊控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)PD控制器各控制參數(shù)的優(yōu)化，最終得到了無人船航向控制的自適應(yīng)模糊PD控制器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2所示。

圖2 自適應(yīng)模糊PD控制器

上圖中模糊控制器部分的設(shè)計(jì)中以無人船航向偏差及偏差變化率作為模糊控制器的輸入變量；模糊隸屬度函數(shù)的選擇為最常見的三角型隸屬度函數(shù)；解模糊化的方法采用面積中心平均法。由于需要同時(shí)控制改變PD控制器的兩個(gè)參數(shù)變量Kp和Kd，因此需要設(shè)計(jì)兩個(gè)模糊控制器來實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制兩個(gè)參數(shù)的變化，各參數(shù)的控制調(diào)整規(guī)則參見下表1、表2[7],其中第一行代表e，第一列代表de/dt。

表1 Kp模糊控制規(guī)則表

表2 Kd模糊控制規(guī)則表

3 水池航行實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)集成、調(diào)試完成后，在哈爾濱工程大學(xué)綜合試驗(yàn)水池實(shí)現(xiàn)了微小型無人船的航向控制試驗(yàn)，水池長(zhǎng)50 m，寬20 m，無人船螺旋槳轉(zhuǎn)速控制在1 000 r/min。無人船可以將當(dāng)前航向數(shù)據(jù)通過無線電傳送到岸上監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，岸上計(jì)算機(jī)保存航向數(shù)據(jù)，繪制相關(guān)曲線。水池實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖3所示，無人艇船模型如圖4所示。

圖3 無人船水池實(shí)驗(yàn)圖

圖4 無人船模型圖

本文采用傳統(tǒng)PD控制和模糊PD控制兩種控制方法實(shí)現(xiàn)了無人船的航向控制，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖5～6所示，兩種控制方法試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比如圖7～8所示。

圖5 模糊PD控制器90°-180°航向控制實(shí)驗(yàn)

圖6 傳統(tǒng)PD控制器60°-90°航向控制實(shí)驗(yàn)

圖7 60°航向控制試驗(yàn)結(jié)果對(duì)圖

圖8 80°航向控制試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，兩種控制方法都能夠?qū)崿F(xiàn)無人船的航向控制。從控制效果來看，傳統(tǒng)PD控制器響應(yīng)速度較慢，超調(diào)量較大，可以將航向精度控制在5°以內(nèi)，當(dāng)航向穩(wěn)定時(shí)，受外界干擾影響較大；利用本文所設(shè)計(jì)的模糊PD控制器響應(yīng)速度較快，超調(diào)量較小，可以將航向控制精度控制在2°以內(nèi)，當(dāng)航向穩(wěn)定時(shí)，受外界干擾影響較小。這是由于模糊PD控制器可以根據(jù)當(dāng)前的誤差及其變化率自主改變PD控制器的控制參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)中遇到干擾時(shí)可以更好地對(duì)當(dāng)前干擾做出反應(yīng)。因此，本文所提出的模糊PD控制器具有優(yōu)良的航向控制能力，并且具有抗干擾功能。

4 結(jié)語

本文介紹了一種基于ARM控制器的微小型無人船控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一種模糊PD航向控制方法，進(jìn)行了相應(yīng)實(shí)艇航行試驗(yàn)，驗(yàn)證了算法的有效性和可靠性。所開發(fā)的岸基監(jiān)控系統(tǒng)可通過無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)控制指令收發(fā)，實(shí)時(shí)顯示無人船的航向信息，進(jìn)行自主控制、遠(yuǎn)程遙控。水池實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的模糊PD航向控制算法相比廣泛采用的PD控制算法，航向控制精度更高，控制穩(wěn)定性更好。

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Miniature Unmanned Ship Control System Design and Research of Heading Control Methods

Zhang Haoyu，Liu Tao

(College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Unmanned ships have broad application prospects and market value for protecting the marine environment and developing the marine resources. Miniature unmanned ships have the advantages of low cost, flexible mobility, easy to carry and easy to carry out experiments; Micro unmanned ship can not only be used for marine environmental monitoring, but also become a communication relay platform. This paper has designed a kind of micro unmanned ship control system based on ARM, at the same time designed the control system hardware and software, and verify the validity and practicability of the control system by the tank experiment results. In addition, for unmanned ship heading control in the presence of wind, wave and current hybrid interference, a fuzzy PD control algorithm has been put forward, combined with the fuzzy control technology and traditional PID control technology; the PD control parameters online adaptive optimization and adjustment has been realized; the corresponding pool experiments and the traditional PD control algorithm comparative analysis have been finished.

ARM；unmanned ship control; heading control；fuzzy PD control

2016-08-10；

2016-09-13。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51409059)；黑龍江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(F201342)。

張浩昱 (1994-)，男，江蘇鹽城人，主要從事嵌入式控制系統(tǒng)方向的研究。

1671-4598(2017)01-0088-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.01.025

TP3

A