羅楚江，李銳豪

（廣州航海學(xué)院，廣東 廣州510725）

0 引言

無人駕駛技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于飛機(jī)和汽車，如百度無人車和大疆無人機(jī)等產(chǎn)品已經(jīng)得到深入研究和應(yīng)用，但與無人車和無人飛機(jī)相比，無人船艇的發(fā)展相對(duì)處于落后狀態(tài)，智能化是當(dāng)前船舶的發(fā)展方向，隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、高精度導(dǎo)航技術(shù)和動(dòng)力定位技術(shù)的發(fā)展，無人駕駛船舶有了長足發(fā)展，無人船舶航行于全球?qū)⒊蔀橐环N可能[1]。無人船作為水上搜救平臺(tái)有著廣泛的應(yīng)用，以馬航MH370空難為例，海難搜救目標(biāo)往往范圍廣、距離遠(yuǎn)，大型救援船幾乎很難在事發(fā)兩小時(shí)黃金救援時(shí)間內(nèi)找到現(xiàn)場(chǎng)。但若用飛機(jī)空投一批裝載救援物資的無人船，則可立即實(shí)現(xiàn)大面積拉網(wǎng)式搜索，一艘發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，其他船迅速靠近救援。無人船艇的關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)船舶在各種不同水文環(huán)境下的自主航行，在無人船平臺(tái)中，船載控制系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制、環(huán)境信息采集與船岸通信的功能[2]。岸端監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是對(duì)無人船的運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境信息以及特定任務(wù)完成情況的顯示和記錄。

本文設(shè)計(jì)采用DSP和嵌入式ARM為平臺(tái)的船載控制系統(tǒng)和基于Android系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，船載控制系統(tǒng)的主要是由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)單元、信息采集單元、航行控制單元、視覺處理單元和通信單元組成，通過目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)和場(chǎng)景分割技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)落水人員的識(shí)別與定位，進(jìn)而由無人船船載控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)航行控制。船端與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)采用5.8 GHz無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)具有數(shù)據(jù)顯示與處理、人工遙控、自航設(shè)置以及地圖顯示等功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

無人搜救船系統(tǒng)由船載控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)兩大部分組成，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。系統(tǒng)采用2.4 G無線通信方式實(shí)現(xiàn)船端與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)之間信息交流，船端控制系統(tǒng)通過環(huán)境信息采集單元將無人搜救船的環(huán)境因素發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行顯示與處理，岸基遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無人搜救船的遙控控制，由工作人員操縱無人船，亦可工作在自控模式，無人搜救船通過目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)救助目標(biāo)的定位，實(shí)現(xiàn)自航，自航速度等參數(shù)由遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)設(shè)置。無人搜救船的航行軌跡可以在遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)實(shí)時(shí)顯示。

圖1 無人搜救船系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

2 船端控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

無人搜救艇船端控制系統(tǒng)是無人搜救船的“執(zhí)行者”，是無人搜救船智能控制的重要組成部分。設(shè)計(jì)以DSP和嵌入式STM32H7高速M(fèi)CU實(shí)現(xiàn)對(duì)無人搜救船的動(dòng)力控制、環(huán)境信息采集和航行控制等功能。船端控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 船載控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

船載控制系統(tǒng)采用嵌入式STM32H743處理器和TMS320C6678多核固定浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器。STM32H743是ST公司推出的高性能處理器，其工作頻率為400 MHz的32位ARM Cortex-M7微處理器[3]，TMS320C6678是TI基于KeyStone的多核固定浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，集成了C66x CorePac，每個(gè)核心在1至1.5GHz到10GHz的運(yùn)行，支持高性能的信號(hào)處理應(yīng)用[4]。設(shè)計(jì)STM32用于無人搜救船的動(dòng)力控制和航行控制，STM32輸出PWM分別控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速與方向舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，操縱無人搜救船的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向。環(huán)境感知模塊是由測(cè)距模塊、高清工業(yè)級(jí)攝像頭和北斗/GPS定位模塊組成。航行控制單元用于控制無人搜救船的航行模式，可以選擇為自航模式或遙控模式，若為遙控模式，遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)通過2.4 G無線通信將監(jiān)控信息發(fā)送給無人搜救船。若為自控模式，遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)對(duì)無人搜救船設(shè)定目標(biāo)，由路徑規(guī)劃算法實(shí)現(xiàn)自航控制。

2.1 動(dòng)力控制單元電路設(shè)計(jì)

無人搜救船的動(dòng)力單元是由驅(qū)動(dòng)電機(jī)和舵機(jī)共同構(gòu)成，由于有刷直流電機(jī)價(jià)格便宜、控制簡單且穩(wěn)定性高，故無人船的動(dòng)力由有刷直流電機(jī)提供，通過L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)有刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，其電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，其持續(xù)工作電流為2 A，額定功率為25 W[5]。設(shè)計(jì)通過STM32高級(jí)定時(shí)器輸出PWM實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制。無人搜救船的運(yùn)動(dòng)方向由方向舵機(jī)來控制，設(shè)計(jì)亦是采用STM32高級(jí)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)舵機(jī)轉(zhuǎn)角控制。

圖3 無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖

2.2 環(huán)境信息采集單元電路設(shè)計(jì)

環(huán)境信息采集單元相當(dāng)于無人搜救船的“眼睛”，通過高清工業(yè)攝像頭采集的信息，由DSP處理器實(shí)時(shí)處理，通過目標(biāo)檢測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)落水人員的識(shí)別，并結(jié)合測(cè)距模塊、北斗定位模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)落水人員的位置精確定位，由無線通信模塊將此信息發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)。攝像頭與DSP之間采用USB通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而保證高速數(shù)據(jù)通信的需求。北斗導(dǎo)航定位模塊采用SkyTra公司的GPS+北斗雙模定位芯片S1216F8-BD，，該芯片可實(shí)現(xiàn)米級(jí)精度的定位，定位模塊與DSP處理通過串口通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。定位模塊電路原理圖如圖4所示。

2.3 船岸無線通信模塊設(shè)計(jì)

為滿足無人搜救船與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)之間的通信，設(shè)計(jì)應(yīng)用了工作在5.8 GHz頻段的高速無線通信模塊并配置高增益天線，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)距離通信，該無線通信技術(shù)是基于城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.16a，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在無阻礙的情況下可以高達(dá)72Mbit/s的傳輸速率，最遠(yuǎn)通信距離可達(dá)50 km，能夠滿足一般圖像或數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。本設(shè)計(jì)采用SX1278半雙工低中頻收發(fā)器，該芯片的低頻段為169 M和433 M，高頻段為868M-915M，其電路原理圖如圖5所示。

圖4 定位模塊電路設(shè)計(jì)原理圖

圖55 .8G無線通信設(shè)計(jì)原理圖

3 船載控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

船載控制系統(tǒng)軟件的功能是控制STM32芯片和DSP芯片實(shí)現(xiàn)無人搜救船平臺(tái)監(jiān)控功能，STM32微處理器使用MDK5.0集成編譯環(huán)境，DSP的開發(fā)環(huán)境為CCSV5.5.軟件功能的設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

圖6 船載控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)無人搜救船的實(shí)時(shí)監(jiān)控，設(shè)計(jì)采用基于Android系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)了5.8 GHz通信模塊，與無人搜救船進(jìn)行通信。遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)界面如圖7所示。

圖7 遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)界面圖

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式ARM和DSP處理器的無人搜救船船載控制系統(tǒng)，船載控制系統(tǒng)由STM32H7和TMS320C6678DSP處理器、北斗/GPS定位模塊、動(dòng)力模塊等組成，并采用5.8 GHz無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)船載端與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)之間的信息交互，將無人搜救船的采集的環(huán)境信息、視頻信息以及控制信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)。無人船的控制分為自航和遙控模式，采用基于Android操作系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人搜救船的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以提高無人船的工作效率，并確保航行安全，結(jié)合高清攝像頭及目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)，可用于水上搜救，具有一定的推廣價(jià)值。