智能船體控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)*

摘要： 本文綜合運(yùn)用GPS、GSM和傳感器技術(shù)，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(shí)現(xiàn)了船體的智能控制和監(jiān)測(cè)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(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 船體遙控；輔助航行；無人駕駛技術(shù)；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

21世紀(jì)以來，人們?cè)谡雇率兰o(jì)的航海技術(shù)時(shí)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(shù)復(fù)雜化使得人為控制日益困難。而且，由于全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，航海距離日益增加。在這種情況下，遠(yuǎn)程運(yùn)輸?shù)拇俺３Ｒ诤Ｉ虾叫袛?shù)十日且跨越近二十個(gè)時(shí)區(qū)，船員們很難適應(yīng)這種時(shí)差變化，易于疲勞，因而造成事故。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，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(dāng)今航運(yùn)界和造船界首要的考慮因素。遠(yuǎn)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(dǎo)航功能為基礎(chǔ)，使無人駕駛航行和遠(yuǎn)程通信自救的智能船體控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)功能強(qiáng)大，完備的資料采集功能，使人們可以隨時(shí)掌握海洋的信息，強(qiáng)大的遠(yuǎn)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(jìn)的無人駕駛技術(shù)更使得該系統(tǒng)可以應(yīng)用于海洋遠(yuǎn)程運(yùn)輸、科學(xué)探索研究等各個(gè)領(lǐng)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(yùn)用GPS、GPRS和傳感器技術(shù)，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(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電子地圖實(shí)時(shí)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(shí)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(diǎn)。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(dǎo)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(chǔ)，并由下位機(jī)傳送數(shù)據(jù)至上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示船體所在地理位置?？刂平K端可以自動(dòng)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(dòng)進(jìn)行重新定位，顯示船舶的航行軌跡。此時(shí)，根據(jù)所在地理位置進(jìn)行記錄、探測(cè)，確定下一個(gè)航行目標(biāo)。為了方便對(duì)特定環(huán)境的監(jiān)測(cè)，可以預(yù)先制定航行軌跡，進(jìn)入自動(dòng)航行狀態(tài)，自動(dòng)控制船舶航行到指定地點(diǎn)。導(dǎo)航定位模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 導(dǎo)航定位模塊結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程控制模塊

利用GSM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)無人駕駛的自動(dòng)航海功能?？刂泼钜訥SM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(duì)其各項(xiàng)設(shè)備進(jìn)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(yuǎn)程控制來實(shí)現(xiàn)，模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 遠(yuǎn)程控制模塊結(jié)構(gòu)

下位機(jī)模塊

下位機(jī)主控單片機(jī)安裝在受控船上負(fù)責(zé)通信、傳感器數(shù)據(jù)處理及分配，對(duì)船上各子系統(tǒng)進(jìn)行總體控制的電路模塊。主控板控制3個(gè)外部設(shè)備部件，主推進(jìn)機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)和溫度傳感器。

主推進(jìn)電機(jī)控制部分增加了ADI公司的ADmC841芯片，產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)來控制ST公司的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器L298N芯片，使電機(jī)按一定速度與方向運(yùn)行。從主控單片機(jī)傳過來的八位速度與方向數(shù)據(jù)，經(jīng)過總線驅(qū)動(dòng)器送到ADmC841的P1口，由ADmC841轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的PWM脈沖信號(hào)送給L298N，對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行控制。

舵機(jī)內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期20ms、寬度1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，由比較器將外加信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)相比較，判斷出方向和大小，從而產(chǎn)生電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)。ADmC841還產(chǎn)生適當(dāng)脈沖寬度的PWM脈沖信號(hào)控制舵機(jī)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(cè)。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(shí)現(xiàn)聲音的錄制、回放和播放，船員可以隨時(shí)口述記錄航海日志。

通過攝像軟件可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視，以及拍攝一些需要紀(jì)錄的圖片信息。該程序通過調(diào)用驅(qū)動(dòng)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(shè)置牌照按鈕，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊牌照按鈕后觸發(fā)拍照程序，把當(dāng)前顯示的圖像數(shù)據(jù)以圖片的形式存儲(chǔ)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(jiǎn)單，只需在兩個(gè)觸發(fā)電極間加上5V電壓即可發(fā)煙。通過主控單片機(jī)的一個(gè)I/O口線來控制它，只需外加一個(gè)擴(kuò)流三極管驅(qū)動(dòng)繼電器。燈火管制對(duì)燈光實(shí)施統(tǒng)一控制，當(dāng)敵艦來襲或需要隱蔽時(shí)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(jī)中。單片機(jī)將數(shù)據(jù)經(jīng)處理后傳給PXA270，在主控界面中顯示。此處預(yù)留了類似接口，在今后擴(kuò)展中可以加入其它對(duì)水環(huán)境的監(jiān)測(cè)。

參考文獻(xiàn)：
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