徐麗涵 董若凡 李京鵬 喻漢 朱 濤（指導(dǎo)老師）

（臺州學(xué)院，浙江 臺州318000）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的增長和人民生活水平的逐步提高, 人們各種各樣的旅游需求也隨之迅速增加。水上客運(yùn)旅游化發(fā)展已成為水路客運(yùn)轉(zhuǎn)型升級、可持續(xù)發(fā)展的必由之路。人工駕駛的基礎(chǔ)也造成了戶外游船乘坐成本的居高不下;而降低成本,提升景區(qū)游船乘坐的娛樂性也成了當(dāng)前成為當(dāng)前亟待解決的問題。而基于WIFI 的景區(qū)游船控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以解放人工提高經(jīng)濟(jì)效應(yīng),提高景區(qū)游船的娛樂性等是解決上述問題的可靠途徑,因此對于景區(qū)游船的智能化控制也是必不可少的。

游艇的電子自動導(dǎo)航系統(tǒng)在很久以前就已經(jīng)被開發(fā)應(yīng)用了, 這類系統(tǒng)可以使再受到外部的影響較小時(shí)可以維持自動駕駛的功能,并且可以為駕駛員節(jié)省出大量的個人時(shí)間來休息,減輕駕駛員的工作負(fù)擔(dān),減少了意外事故發(fā)生的可能性。作為一種新興的高新技術(shù),自動駕駛及預(yù)警呼救技術(shù)涉及人機(jī)工程、人工智能、數(shù)據(jù)通信等眾多領(lǐng)域因而在中國的景區(qū)發(fā)展中的作用還較為薄弱。對于國內(nèi)的景區(qū)游船而言有著較多的問題比如管理不夠規(guī)范、同質(zhì)化競爭激烈、發(fā)展不均衡等,這些都造成了國內(nèi)發(fā)展的緩慢和市場的空缺。

而本設(shè)計(jì)系統(tǒng)是以手機(jī)APP 為基礎(chǔ)的自動駕駛及安全預(yù)警系統(tǒng),即能夠填補(bǔ)中國內(nèi)地市場的空缺,又能提供一個自動駕駛的新型發(fā)展方向。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)較小范圍內(nèi)景區(qū)游船的自動駕駛,而通過手機(jī)APP 來控制游船又提升的乘船的娛樂性。手機(jī)APP 中可以規(guī)劃多條路線,游客通過下載APP 后可以選擇自己的想要游玩的路線,游船就可以按照規(guī)劃的路線行駛。而當(dāng)一端的游船數(shù)量不夠后游船就可以自動地返回, 游船相互之間有著GPS 信號當(dāng)游船在同一條路線上時(shí), 回程的游船將會改變路線以防止游船的相撞。

1 基于WIFI 的景區(qū)游船控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理

景區(qū)游船控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu):

分析圖1 可知景區(qū)游船控制系統(tǒng)主要由:單片機(jī)系統(tǒng)、手機(jī)APP、隨動控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸模塊、GPS 定位系統(tǒng)、WiFi 和SIM卡模塊組成?？刂破魃系亩ㄎ幌到y(tǒng)將船的位置通過移動網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)绞謾C(jī)APP, 手機(jī)APP 可以分為駕駛員模式及游客模式,無論是游客端還是駕駛員端都可時(shí)刻監(jiān)測船的位置與航線。駕駛員端還可以通過手機(jī)APP 傳遞信號控制隨動控制系統(tǒng)(自動駕駛時(shí)的信號則可利用電羅經(jīng)檢測船舶實(shí)際航向α,然后與給定航向K°進(jìn)行比較,其差值作為操舵裝置的輸入信號,使操舵裝置動作,改變偏舵角β。在舵角的作用下,船舶逐漸回到正航向上。船舶回到正航向后,舵葉不再偏轉(zhuǎn))到控制器,再通過控制器控制電機(jī)以及電動推桿,電機(jī)控制航速,電動推桿控制航角。

2 仿真及實(shí)物測試

2.1 無線通信技術(shù)的選擇

目前行業(yè)中常用的無線通信技術(shù)主要有藍(lán)牙、WIFI 、SIM卡等一些通信方式。針對這幾種常見的無線通信方式,進(jìn)行總結(jié)比較,其比較結(jié)果如表1 所示。

圖1 景區(qū)游船控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

表1

根據(jù)上表可知, 藍(lán)牙通信技術(shù)能夠較遠(yuǎn)的距離實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)、連接網(wǎng)絡(luò)但傳輸?shù)乃俣容^慢,WIFI 數(shù)據(jù)傳輸速度較為穩(wěn)定但覆蓋的范圍小而sim 卡覆蓋范圍大但是傳輸速度較為不穩(wěn)定。因此本系統(tǒng)采用WIFI 和Sim 卡共同使用進(jìn)行數(shù)據(jù)之間的傳輸

2.2 定位系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)

2.2.1 GPS 衛(wèi)星信號測試

測試1:室內(nèi)

測試2:空曠場地

測試3:室外復(fù)雜地點(diǎn)

通過多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),室內(nèi)環(huán)境接收不到衛(wèi)星信號,室外有較強(qiáng)信號。

2.2.2 天線信號測試

天線是接收機(jī)前端最關(guān)鍵的部分, 只有保證它的可靠性才能充分體現(xiàn)到接收部分的性能。

2.2.3 GPS 功耗測試

表2

2.2.4 GPS 事后差分定位精度測試

表3

2.2.5 GPS 的誤差分析:

當(dāng)前,GPS 雖然在全世界的定位、導(dǎo)航等方面得到了廣泛的應(yīng)用,但是GPS 定位系統(tǒng)的精度受到的影響因素比較的多,比如天氣因素、多徑效應(yīng)、當(dāng)前可見GPS 衛(wèi)星數(shù)量、衛(wèi)星時(shí)鐘誤差等,只有對這些影響因素做了詳細(xì)的分析才能將誤差減小至盡可能地少,從而更好地設(shè)計(jì)GPS 接收和軟件。由于游船是在水上航行,本身的環(huán)境對GPS 精確度的影響會比較的大,只能通過一些措施將GPS 定位的精確度盡可能地提高, 因此在天氣比較惡劣的極端條件下就必須采用差分定位的方式以提高游船的GPS定位的精確度。

WiFi 定位的過程:WLAN 網(wǎng)絡(luò)的AP 通過廣播形式向四周發(fā)送Beacons 數(shù)據(jù)包,WLAN 中的終端設(shè)備在打開WIFI 功能的前提下通過掃描偵測到該AP,并對其SSID 進(jìn)行鑒別和對比,發(fā)送請求連接經(jīng)過認(rèn)證并連接到該AP。服務(wù)器通過連接的網(wǎng)絡(luò)信息以及其周邊的其他網(wǎng)絡(luò)信號的強(qiáng)弱就可以通過MAC 地址的坐標(biāo)就可以計(jì)算出終端設(shè)備的具體位置。

而GPS 定位以及WiFi 定位都有著它的缺點(diǎn)比如GPS 定位的缺點(diǎn)即精確度比較的低, 而WIFI 定位的缺點(diǎn)也比較的明顯,它需要有著發(fā)送數(shù)據(jù)的信號基站而且室外的信號強(qiáng)度會比較的弱能確定的位置范圍也是比較的小。

所以根據(jù)這些定位系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)本文采用了INS 即慣性導(dǎo)航系統(tǒng),其工作原理是建立在牛頓第二定律基礎(chǔ)上的。而慣性導(dǎo)航系統(tǒng)則是用三個方向不同的加速度計(jì)對三個不同方位的加速度進(jìn)行測量。參考慣性參考坐標(biāo)系進(jìn)行加速度方向的測定,而陀螺儀可以判斷慣性參考坐標(biāo)系相對于載體的旋轉(zhuǎn)的角度,之后將加速度分解后進(jìn)行積分。之后通過加速度對時(shí)間的連續(xù)數(shù)學(xué)積分就可計(jì)算得到物體的速度和位置的變化。在室外GPS 信號較弱時(shí)可以用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)將軌跡進(jìn)行規(guī)劃從而使游船按照預(yù)定的軌跡行駛。

2.3 手機(jī)APP 的設(shè)計(jì)及使用

圖2

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的Android 手機(jī)定位系統(tǒng)主要基于的是WIFI 模塊實(shí)現(xiàn)的局域網(wǎng)內(nèi)的控制, 手機(jī)端作為客戶端與STM32 相連。手機(jī)端通過發(fā)送一串?dāng)?shù)字指令給STM32 來實(shí)現(xiàn)控制船的方向和位置信息傳輸?shù)裙δ艿膶?shí)現(xiàn)。故APP 設(shè)計(jì)完成后還需測試其是否能和STM32 服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)正常的通信。在使用時(shí)手機(jī)需先連接服務(wù)器建立的WIFI 信號,然后打開APP,點(diǎn)擊網(wǎng)絡(luò)連接按鈕,與服務(wù)器建立連接。連接好服務(wù)器后,然后選擇想要實(shí)現(xiàn)的功能, 再點(diǎn)擊發(fā)送指令按鈕, 將指令發(fā)送給服務(wù)器, 完成控制。APP 能實(shí)時(shí)顯示STM32 采集的位置信息。系統(tǒng)能夠通過APP遠(yuǎn)程的控制游船的移動方向又能進(jìn)行手動的控制調(diào)整游船的位置。

3 結(jié)論

本系統(tǒng)還存在以下幾點(diǎn)待改進(jìn)或是可行的方向:a.測試過程中發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)在響應(yīng)Android 控制的時(shí)候反應(yīng)速度有點(diǎn)慢,主要問題可能是可能是需要進(jìn)行兩次通信,并且代碼編的較為復(fù)雜,效率較低;b.只實(shí)現(xiàn)了局域網(wǎng)內(nèi)的簡易控制,沒有實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信,有待改進(jìn)。c.船的位置信息不能實(shí)時(shí)顯示,這是一個改進(jìn)的方向之一。