【關(guān)鍵詞】STM32；水面無人艇；PS2 無線手柄；增量式PID 算法

引言

隨著無人車和無人機技術(shù)的成熟，越來越多的機構(gòu)，包括研究所、院校和企業(yè)等，開始研究和應(yīng)用水面無人艇[1]。水面無人艇是一種能夠在海洋、河流等水域環(huán)境中執(zhí)行一些復(fù)雜或危險任務(wù)的平臺，如水質(zhì)檢測、事故搜尋救助等，與載人船舶和浮動平臺等設(shè)備相比，無人艇具備操縱性強、部署方便、覆蓋范圍廣且成本較低的優(yōu)點，這使得無人艇具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。

本文設(shè)計的水面無人艇控制系統(tǒng)是其核心部件，可通過PS2無線手柄或遙控實現(xiàn)多種航行模式，包括前進后退、轉(zhuǎn)向及固定軌跡航行，確保了方向和速度的精確控制。系統(tǒng)采用增量式PID算法結(jié)合霍爾編碼器測量的速度，實現(xiàn)對推進器轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，提高了航行效率。同時，集成避障模塊以提高安全性，使無人艇能靈活、安全執(zhí)行任務(wù)。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本文設(shè)計了一種基于STM32單片機的水面無人艇控制系統(tǒng)，包括方向控制、無線通信和緊急制動功能。如圖1所示，系統(tǒng)由STM32單片機、電源、PS2無線遙控、避障模塊、無刷電調(diào)和裝有霍爾編碼器的水下推進器組成。采用STM32F103ZET6單片機作為主控制核心，利用霍爾編碼器實時監(jiān)測轉(zhuǎn)速，并通過增量式PID算法對無刷電調(diào)的PWM值進行精確調(diào)整，以穩(wěn)定推進器速度。PS2無線手柄用于航行模式控制，紅外避障傳感器實現(xiàn)緊急制動，提升系統(tǒng)安全性能。

二、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

該系統(tǒng)主要硬件包括主控芯片、PS2無線手柄、電源模塊、避障模塊以及驅(qū)動模塊。如圖2所示，這些模塊之間的電路連接，構(gòu)成了整個系統(tǒng)的硬件架構(gòu)。以下針對各模塊進行說明：

1.主控芯片：采用STM32F103ZET6單片機，具有高性能、低功耗，支持多種控制指令，易實現(xiàn)精確控制。配備電源模塊和RTC晶振電路，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行和時鐘準(zhǔn)確性[3-4]。

2.無線手柄：PS2無線手柄的信號接收器有9個引腳，其中DI/DAT和DO/CMD用于全雙工數(shù)據(jù)通信，CS/SEL用于控制通信狀態(tài)，GND和VDD提供電源。通信啟動時，CS/SEL引腳接收低電平，通信結(jié)束后返回高電平[5]。通信初始階段，STM32單片機向手柄發(fā)送“0x01”命令請求ID信息，手柄回復(fù)“0x41”（綠燈）或“0x73”（紅燈）以確認(rèn)模式。隨后，控制板發(fā)送“0x42”命令獲取數(shù)據(jù)，手柄以“0x5A”響應(yīng)[6]。

3.電源模塊：本文選擇+12V的鋰電池作為系統(tǒng)的主電源，為無刷雙向電調(diào)供電的同時，通過直流穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)化器將+12V電壓轉(zhuǎn)換為+5V為STM32單片機供電。

4.避障模塊：紅外避障傳感器用于檢測物體并觸發(fā)相應(yīng)的操作信號[7]。傳感器有3個引腳：VCC、GND、OUT，其中OUT連接到單片機的I/O口。模塊安裝于無人艇前后端，采用交叉檢測方式。當(dāng)檢測到前方障礙物時，綠色指示燈點亮，同時OUT端口輸出低電平信號[8]。STM32單片機接收到信號后執(zhí)行緊急制動程序，水下推進器反向運行，提供相反推力，確保安全。

5.驅(qū)動模塊：無刷雙向電調(diào)是專為控制無刷電機而設(shè)計的裝置，可實現(xiàn)雙向控制功能，調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速和運行方向。通過STM32單片機輸入的PWM控制信號實現(xiàn)，具有高效率、低噪音和精準(zhǔn)控制等特點，并提供多項保護功能確保系統(tǒng)安全。

三、增量式PID控制算法實現(xiàn)

（一）增量式PID控制算法

增量式PID控制算法是基于比例-積分-微分控制器的閉環(huán)控制算法，通過計算當(dāng)前采樣時刻的誤差值與上一采樣時刻的誤差值之差，來得到控制器的輸出增量[9]。該增量會被加到前一時刻的控制器輸出上，產(chǎn)生新的控制器輸出。計算公式如下[10]：

（1）式中：ΔU（k）表示當(dāng)前時刻的控制器輸出增量，Kp、Ki和Kd分別代表比例、積分和微分增益，e（k）表示當(dāng)前時刻的誤差值，e（k-1）表示前一時刻的誤差值，e（k-2）表示前兩個時刻的誤差值。

增量式PID控制算法相較傳統(tǒng)PID算法，具有更高精度和響應(yīng)速度，能更快、更準(zhǔn)確地響應(yīng)系統(tǒng)變化，實現(xiàn)更穩(wěn)定可靠的控制效果。

（二）仿真實驗分析

在MATLAB中進行增量式PID控制算法仿真，分為未施加干擾和施加干擾情況下的對比。圖3為增量式PID跟蹤響應(yīng)曲線，描述了系統(tǒng)經(jīng)過增量式PID控制調(diào)節(jié)后實際位置與理想位置之間的變化情況。圖4為增量式PID跟蹤誤差曲線，反映了系統(tǒng)在增量式PID控制調(diào)節(jié)后產(chǎn)生的誤差變化情況。

從圖3和圖4可以看出，在時長為1s的仿真情景下，當(dāng)在0.1s施加的干擾信號出現(xiàn)時，系統(tǒng)的位置會受到一定影響，但整體上能夠較好地追蹤理想位置。圖4顯示系統(tǒng)加入干擾信號時，誤差會有所增加，但經(jīng)過PID控制算法調(diào)節(jié)，其誤差逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。綜合來看，該控制系統(tǒng)不管在面對干擾信號時，能夠較好地追蹤理想位置，調(diào)節(jié)速度快，并且具有較小的誤差。

四、控制系統(tǒng)程序設(shè)計與實現(xiàn)

控制系統(tǒng)采用模塊化編程，將系統(tǒng)初始化、驅(qū)動、PS2無線遙控、避障等功能分解為獨立可復(fù)用的模塊，每個模塊專注于特定任務(wù)或功能，并通過明確定義的通信方式進行交互。

（一）主程序設(shè)計

系統(tǒng)上電后進行初始化工作，包括對時鐘、延時函數(shù)、定時器等進行設(shè)置。系統(tǒng)主程序流程如圖5所示，初始化完成后，系統(tǒng)進入等待命令狀態(tài)。當(dāng)收到無線遙控手柄指令時，執(zhí)行相應(yīng)程序，完成航行方式，并實時檢測是否有障礙物。如果檢測到障礙物，則立即調(diào)用避障模塊進行制動。如果沒有障礙物，則繼續(xù)執(zhí)行無線遙控指令，直到任務(wù)結(jié)束。

（二）驅(qū)動模塊程序設(shè)計

驅(qū)動模塊子程序初始化后，根據(jù)電機期望轉(zhuǎn)速和狀態(tài)設(shè)置PWM值以控制電機速度和方向。使用霍爾式編碼器測量電機實際轉(zhuǎn)速，通過定時計數(shù)器捕獲脈沖信號數(shù)量，并利用增量式PID算法對速度偏差進行補償，實現(xiàn)閉環(huán)控制，確保電機穩(wěn)定保持目標(biāo)速度，使無人艇運動更加平滑和精準(zhǔn)。

（三）避障模塊程序設(shè)計

避障模塊子程序初始化完成后，設(shè)置不同制動函數(shù)，其中包含不同的電機轉(zhuǎn)速方向和速度，避障模塊實時檢測是否有障礙物，當(dāng)檢測到障礙物時，OUT端口輸出低電平信號并判斷航行方向，進而調(diào)用相應(yīng)的制動函數(shù)，使水面無人艇得到相反的推力，克服慣性停止下來。

五、測試

本設(shè)計旨在實現(xiàn)一個具備運動控制和緊急制動功能的水面無人艇，能夠根據(jù)PS2無線手柄傳輸?shù)目刂菩盘栠M行運動，并在遇到障礙物時自動實施緊急制動。為了驗證設(shè)計目標(biāo)，按照以下描述進行測試：

1）進行PS2無線手柄信號穩(wěn)定測試：使用手柄的搖桿、按鈕等進行連續(xù)30分鐘的操作，驗證無人艇能夠在可遙控距離內(nèi)穩(wěn)定受控。

2）進行避障模塊檢測區(qū)域測試并進行整體功能測試：確認(rèn)避障模塊安裝后可以檢測無人艇前后端的范圍，并結(jié)合PS2無線手柄控制和緊急制動功能進行整體功能測試。

經(jīng)過測試和調(diào)試，結(jié)果顯示避障模塊可檢測的范圍是無人艇前后端90°扇形區(qū)域。同時，無線手柄的控制信號穩(wěn)定可靠，在30次遙控測試中，有28次能夠?qū)崿F(xiàn)緊急制動，成功率達到93%。圖6展示了無人艇水面測試的情況。

結(jié)束語

本文設(shè)計的以STM32單片機為核心處理器的水面無人艇，能夠通過PS2無線手柄進行多種航行方式控制，結(jié)合增量式PID控制算法實現(xiàn)動力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。此外，添加避障模塊和緊急制動功能，提升航行安全性。該系統(tǒng)具備簡單、低能耗和便捷操作等特點，為水面無人艇的遙控控制和安全性提供了可行解決方案，具有應(yīng)用價值。