智能船體控制和監(jiān)測系統(tǒng)*

摘要： 本文綜合運用GPS、GSM和傳感器技術，通過在PXA270上移植定制的Windows CE 5.0操作系統(tǒng)和自主開發(fā)的軟件，實現(xiàn)了船體的智能控制和監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)具有體積小、功耗低、高可靠性和人性化的特點。

關鍵詞： 船體遙控；輔助航行；無人駕駛技術；監(jiān)測系統(tǒng)

21世紀以來，人們在展望新世紀的航海技術時總以高科技、高速度等來描述。然而現(xiàn)代船體的大型化、高速化和技術復雜化使得人為控制日益困難。而且，由于全球經(jīng)濟發(fā)展的需要，航海距離日益增加。在這種情況下，遠程運輸?shù)拇俺３Ｒ诤Ｉ虾叫袛?shù)十日且跨越近二十個時區(qū)，船員們很難適應這種時差變化，易于疲勞，因而造成事故。據(jù)權(quán)威機構(gòu)統(tǒng)計，80%的海上事故是人為因素造成的。因此，保證船舶航行的安全問題已成為當今航運界和造船界首要的考慮因素。遠洋航行、海洋開發(fā)迫切需要一種安全性好、可靠性高的控制系統(tǒng)。

以GPS導航功能為基礎，使無人駕駛航行和遠程通信自救的智能船體控制和監(jiān)測系統(tǒng)得以設計實現(xiàn)。該系統(tǒng)功能強大，完備的資料采集功能，使人們可以隨時掌握海洋的信息，強大的遠程通信自救功能保證了安全性和可靠性，也增加了其可行性，而先進的無人駕駛技術更使得該系統(tǒng)可以應用于海洋遠程運輸、科學探索研究等各個領域。

本文采用Marvell公司XScale架構(gòu)的PXA270芯片集作為控制終端處理器，綜合運用GPS、GPRS和傳感器技術，通過在XScale270上移植定制的Windows CE 5.0操作系統(tǒng)和自主開發(fā)的軟件，構(gòu)建了船體的智能控制和監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)可以實現(xiàn)電子地圖實時顯示、文件記錄艦艇位置、航行狀態(tài)、航行軌跡、環(huán)境參量等信息，還可以語音和圖片的形式記錄船員的狀態(tài)信息。支持在電子地圖上控制航行軌跡，并且采用PID算法實現(xiàn)了最佳路徑規(guī)劃。具備嵌入式系統(tǒng)體積小、功耗低、高可靠性和人性化的特點。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，各功能模塊的特性如下。

圖1  系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

導航定位模塊

利用GPS定位系統(tǒng)得到包括緯度和經(jīng)度的位置數(shù)據(jù)，將定位數(shù)據(jù)存儲，并由下位機傳送數(shù)據(jù)至上位機實時顯示船體所在地理位置?？刂平K端可以自動顯示船舶所航行區(qū)域范圍內(nèi)的電子地圖，可根據(jù)需要控制電子地圖的縮放及在終端屏幕的定位。船體位置以特定方式顯現(xiàn)在地圖上，根據(jù)船的移動進行重新定位，顯示船舶的航行軌跡。此時，根據(jù)所在地理位置進行記錄、探測，確定下一個航行目標。為了方便對特定環(huán)境的監(jiān)測，可以預先制定航行軌跡，進入自動航行狀態(tài)，自動控制船舶航行到指定地點。導航定位模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 導航定位模塊結(jié)構(gòu)

遠程控制模塊

利用GSM技術可實現(xiàn)無人駕駛的自動航海功能。控制命令以GSM的通信形式傳輸?shù)娇刂平K端，控制終端根據(jù)命令格式和內(nèi)容對其各項設備進行操作。如控制船舶航行速度、掌握航行方向、拍攝圖片等功能都可以在無人駕駛的條件下通過遠程控制來實現(xiàn)，模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 遠程控制模塊結(jié)構(gòu)

下位機模塊

下位機主控單片機安裝在受控船上負責通信、傳感器數(shù)據(jù)處理及分配，對船上各子系統(tǒng)進行總體控制的電路模塊。主控板控制3個外部設備部件，主推進機、標準舵機和溫度傳感器。

主推進電機控制部分增加了ADI公司的ADmC841芯片，產(chǎn)生PWM脈沖信號來控制ST公司的電機驅(qū)動器L298N芯片，使電機按一定速度與方向運行。從主控單片機傳過來的八位速度與方向數(shù)據(jù)，經(jīng)過總線驅(qū)動器送到ADmC841的P1口，由ADmC841轉(zhuǎn)換成相應的PWM脈沖信號送給L298N，對直流電機進行控制。

舵機內(nèi)部有一個基準電路，產(chǎn)生周期20ms、寬度1.5ms的基準信號，由比較器將外加信號與基準信號相比較，判斷出方向和大小，從而產(chǎn)生電機的轉(zhuǎn)動信號。ADmC841還產(chǎn)生適當脈沖寬度的PWM脈沖信號控制舵機的轉(zhuǎn)角。

航行輔助功能模塊

該部分功能模塊包括錄音、攝像監(jiān)視、煙幕控制、燈火管制和溫度檢測。模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 航行輔助功能模塊結(jié)構(gòu)

船員可以使用錄音軟件方便地錄制航海日志。該錄音軟件可以實現(xiàn)聲音的錄制、回放和播放，船員可以隨時口述記錄航海日志。

通過攝像軟件可以實現(xiàn)實時監(jiān)視，以及拍攝一些需要紀錄的圖片信息。該程序通過調(diào)用驅(qū)動程序，以流文件的形式讀入視頻信息，然后把讀入的視頻數(shù)據(jù)顯示在控制終端上。在軟件上設置牌照按鈕，用鼠標點擊牌照按鈕后觸發(fā)拍照程序，把當前顯示的圖像數(shù)據(jù)以圖片的形式存儲在指定目錄。

水面艦艇尤其是軍艦，煙幕是不可或缺的防御類裝備，為此專門在艦艇模型上安裝了煙幕彈。發(fā)煙彈的觸發(fā)非常簡單，只需在兩個觸發(fā)電極間加上5V電壓即可發(fā)煙。通過主控單片機的一個I/O口線來控制它，只需外加一個擴流三極管驅(qū)動繼電器。燈火管制對燈光實施統(tǒng)一控制，當敵艦來襲或需要隱蔽時將所有燈熄滅。它的控制原理同煙幕控制相同。

數(shù)字式溫度傳感器選擇Dallas公司的DS18B20，將采集的數(shù)據(jù)直接送到單片機中。單片機將數(shù)據(jù)經(jīng)處理后傳給PXA270，在主控界面中顯示。此處預留了類似接口，在今后擴展中可以加入其它對水環(huán)境的監(jiān)測。

參考文獻：
1.  傅曦、陳黎等，‘Windows CE嵌入式開發(fā)入門--基于xscale架構(gòu)’，人民郵電出版社，2006.6
2.  Andrew Sloss, Dominic Symes, Chris Wright,‘ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)：軟件設計與優(yōu)化’，北京航空航天大學，2005.5
3.  John Catsoulis, ‘嵌入式硬件設計’，中國電力出版社，2004.6