劉瑞 丁 浩 胡亞偉 李銘盛 吳順達(dá)

摘 要：無(wú)人船在水質(zhì)檢測(cè)、采樣、巡邏等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。針對(duì)無(wú)人船傳輸數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題，利用4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)合數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行無(wú)人船與控制中心之間的數(shù)據(jù)傳輸;針對(duì)具有自主能力的無(wú)人船造價(jià)昂貴的問(wèn)題，以樹(shù)莓派為控制中心設(shè)計(jì)無(wú)人船控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人船的自動(dòng)巡航;針對(duì)無(wú)人船無(wú)法自動(dòng)處理突發(fā)情況的問(wèn)題，采用移動(dòng)端、遙控器、服務(wù)器端多端控制的方法;針對(duì)無(wú)人船適應(yīng)環(huán)境能力較差的問(wèn)題，采用PID算法進(jìn)行無(wú)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(wú)人船的多端控制、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸與自動(dòng)巡航功能。

關(guān)鍵詞：無(wú)人船;樹(shù)莓派;多端控制;控制系統(tǒng)

DOI：10. 11907/rjdk. 182846 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jì)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(kāi)放課題項(xiàng)目（KFKT2017A06）

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

0 引言

無(wú)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(chǎng)，之后開(kāi)始逐漸應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[1]。無(wú)人船相比于傳統(tǒng)由船員控制的船只，具有航程長(zhǎng)、載重多、維護(hù)費(fèi)用低，且更適合行駛于危險(xiǎn)復(fù)雜水域的優(yōu)勢(shì)，因此有著廣闊的應(yīng)用前景[2-4]。

目前無(wú)人船技術(shù)尚未完全成熟，尤其是單無(wú)人船控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及多無(wú)人船自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)一直是一個(gè)難點(diǎn)和挑戰(zhàn)[1]。針對(duì)無(wú)人船的控制系統(tǒng)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究者開(kāi)展了各種研究[5-8]。美國(guó)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(cè)[9]。該船配備12V與24V電源總線，由6個(gè)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(hào)”全自動(dòng)測(cè)繪測(cè)量無(wú)人船[10]，該無(wú)人船能夠搭載單波束、多波束、ADCP等多種測(cè)繪測(cè)量設(shè)備，并能自動(dòng)化地精確開(kāi)展河流流速及流量測(cè)量、水文測(cè)繪、水庫(kù)庫(kù)容勘測(cè)、水深測(cè)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(wú)人艇，該無(wú)人艇配置了差分GPS、慣導(dǎo)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀、攝像頭等傳感器，可完成水質(zhì)監(jiān)測(cè)、巡邏、多無(wú)人船協(xié)同巡邏等任務(wù)。然而，上述無(wú)人船均存在造價(jià)昂貴的問(wèn)題。

本文實(shí)現(xiàn)了一種基于樹(shù)莓派的小型水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)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(shí)控制，以及船體狀態(tài)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

1 無(wú)人船控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的小型無(wú)人船長(zhǎng)1.2m，寬0.5m，并配備了水循環(huán)冷卻系統(tǒng)。電池采用太陽(yáng)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(jì)

控制系統(tǒng)采用太陽(yáng)能電池作為供電電源，以樹(shù)莓派控制器為核心，通過(guò)串口與數(shù)據(jù)傳輸單元、慣性測(cè)量單元連接。電機(jī)通過(guò)控制螺旋槳旋轉(zhuǎn)，控制無(wú)人船行進(jìn);舵機(jī)控制螺旋槳轉(zhuǎn)向以控制無(wú)人船航向;電調(diào)根據(jù)輸入的PWM信號(hào)控制電機(jī)方向和速度;樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板是整個(gè)系統(tǒng)的核心，可對(duì)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(wú)人船與數(shù)據(jù)中心的通信;IMU為慣性測(cè)量單元（Inertial Measurement Units，IMU），用于獲取無(wú)人船航向及位置信息;激光雷達(dá)用于探測(cè)周圍障礙物信息;12V電源用于為無(wú)人船的動(dòng)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(shù)莓派、DTU、IMU及激光雷達(dá)供電。無(wú)人船硬件組成及連線如圖1所示。

圖1 無(wú)人船硬件組成及連線

1.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分分為樹(shù)莓派、Web API、桌面程序與Android程序。樹(shù)莓派接收服務(wù)器端命令與傳感器數(shù)據(jù)對(duì)船體進(jìn)行控制;桌面程序和Android程序通過(guò)Web API對(duì)無(wú)人船進(jìn)行遠(yuǎn)程控制;Web API接收控制請(qǐng)求并發(fā)送至樹(shù)莓派，同時(shí)監(jiān)聽(tīng)并處理樹(shù)莓派傳回的數(shù)據(jù)。4個(gè)模塊之間的信息流動(dòng)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(hào)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(dòng)機(jī)等[11]。PWM波有兩個(gè)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(gè)周期內(nèi)，高電平時(shí)間占周期時(shí)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(duì)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(hào)為中心。對(duì)于舵機(jī)而言，占空比在9.5%-12.8%之間時(shí)向左轉(zhuǎn)，占空比在6.25%-9.5%之間時(shí)向右轉(zhuǎn)，且占空比偏離9.5%越多，則轉(zhuǎn)的越多;對(duì)于電機(jī)而言，占空比在9.5%-12.8%之間時(shí)反轉(zhuǎn)，占空比在6.25%-9.5%之間時(shí)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(jì)算單位周期內(nèi)輸出高電平與輸出低電平的時(shí)間，然后按照高低電平時(shí)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(gè)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(shù)莓派開(kāi)發(fā)板的GPIO.0引腳。為了減少控制信號(hào)干擾，GND引腳需要連接樹(shù)莓派的GND引腳。

與控制舵機(jī)不同，樹(shù)莓派并不是直接控制電機(jī)，而是通過(guò)輸出PWM方波給電調(diào)（ESC），從而間接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與轉(zhuǎn)動(dòng)速度。電調(diào)與舵機(jī)類似，同樣有3個(gè)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(shù)莓派開(kāi)發(fā)板的GPIO.0引腳。同樣，為了減少干擾，GND引腳需要連接樹(shù)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(shí)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(shì)[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(cè)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(guò)4G通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送的無(wú)線終端設(shè)備，可以大大增加無(wú)人船通信范圍，并在任何地方都保持與服務(wù)器的無(wú)線通信。本文采用的DTU主要有8個(gè)引腳，主要包括VCC、GND，兩個(gè)RS232串口（TX，RX）和一個(gè)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(hào)。

3.2 信息采集

IMU通過(guò)測(cè)量其三軸方向上的加速度、角速率和磁場(chǎng)[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(dòng)[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(guò)USB與樹(shù)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(wú)校驗(yàn)。IMU上電啟動(dòng)準(zhǔn)備完成后，等收到START 報(bào)文才開(kāi)始按固定頻率自動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)包，直至收到STOP報(bào)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(guò)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(dòng)導(dǎo)航

航向控制是無(wú)人船自動(dòng)導(dǎo)航中必須解決的問(wèn)題之一，本文采用PID對(duì)無(wú)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(jiǎn)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(dòng)導(dǎo)航的硬件基礎(chǔ)是樹(shù)莓派，樹(shù)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(shù)莓派上可以安裝Linux操作系統(tǒng)，并通過(guò)Python等程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言很方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的控制與交互[20]。在自動(dòng)導(dǎo)航時(shí)，樹(shù)莓派通過(guò)IMU收集船體位置與航向數(shù)據(jù)，計(jì)算無(wú)人船的下一步航向角度，當(dāng)船體需要左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)時(shí)，控制舵機(jī)完成相應(yīng)動(dòng)作。

3.4 遠(yuǎn)程控制

自動(dòng)導(dǎo)航是無(wú)人船的基礎(chǔ)功能，而在開(kāi)發(fā)自動(dòng)導(dǎo)航過(guò)程中，無(wú)人船不可避免地會(huì)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(jì)用戶可通過(guò)Android端或桌面端遠(yuǎn)程控制無(wú)人船，且其優(yōu)先級(jí)高于自動(dòng)導(dǎo)航，以方便用戶在自動(dòng)導(dǎo)航出現(xiàn)異常或意外時(shí)迅速接管無(wú)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(qǐng)求時(shí)，都會(huì)向服務(wù)器端的Web API發(fā)送相應(yīng)請(qǐng)求。Web API接收到請(qǐng)求后，根據(jù)相應(yīng)參數(shù)向DTU寫(xiě)入指令。同時(shí)在無(wú)人船上，樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板中始終有一個(gè)進(jìn)程在監(jiān)聽(tīng)DTU的通信，當(dāng)收到Web API發(fā)送的指令時(shí)，樹(shù)莓派將終止自動(dòng)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(cè)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(wú)人船通過(guò)自動(dòng)導(dǎo)航依次到達(dá)每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

將無(wú)人船姿態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(dòng)導(dǎo)航環(huán)形航行

圖7 自動(dòng)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(wú)人船航行位置，圖7中箭頭為無(wú)人船航行點(diǎn)以及航行方向。從圖中可以看出，無(wú)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(shù)莓派進(jìn)行中樞控制，DTU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，IMU進(jìn)行無(wú)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(shí)隨地控制、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)裙δ?，具有價(jià)格低廉、控制方便快捷等優(yōu)點(diǎn)。但在實(shí)際環(huán)境中，會(huì)存在如礁石、海藻等障礙物，所以接下來(lái)需要在巡航過(guò)程中加入避障功能，以實(shí)現(xiàn)真正意義上的自動(dòng)巡航。

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（責(zé)任編輯：黃 健）