自动化控制Automatic Control
电子技术与软件工程
Electronic Technology&Software Engineering 无人船控制系统设计与研究
陶瑞
（珠海云洲智能科技有限公司广东省珠海市519000）
摘要：本文结合常见无人船结构，分别从无人船控制系统设计、控制系统设计方案实现角度入手，对“无人船控制系统设计与研究”进行深入探究。
关键词：无人船；控制系统；信息采集系统
无人船是现代社会科学技术与海洋经济之间融合发展的产物，是一种智能化、无人化、网络化的水面工具，能够广泛应用于海洋医药、海洋生态监控、滨海湿地生态监控、海上救援、海上巡逻等各个方面，具有极其重要的实用价值。在无人船控制系统的设计过程中，技术人员需要优化整体框架设计，之后分别从下位机、网络通信系统、导航系统、信息釆集系统、动力系统等入手设计，以此完善控制系统功能，凸显控制系统的重要作用。此外，建议技术人员要细化每一个子系统的设计细节，引进相关参数的
设备及元器件，从而实现设计目标，满足设计需求，形成具有良好性能的无人船控制系统，为无人船的有效运用提供保障⑴。
1无人船控制系统设计
1.1总系统框架设计
在无人船控制系统设计中，技术人员首先要进行整体框架设计，为之后的控制系统子系统设计奠定良好的基础。合理的框架结构不仅能够有序推动子系统设计的顺利进行，还能够保证控制系统运行稳定，有效实现无人机的应用功能。技术人员需要分析无人船的运行环境及工作需求，着重关注水上无人船控制系统，分别提出载体机械架构、网络通信子系统、自主导航子系统、环境信息采集子系统、动力装置子系统、驱动中心子系统等，每一个子系统都有自己的功能与作用，这些子系统共同构成了无人船控制系统框架。之后，在无人船船体模块设计中，技术人员需要保证窗体轻便灵活，控制船身的长度、高度、宽度与自身重量，优化设计最大载重约为200kg，以便于适应各种工作需求与水上工作环境。
1.2下位机系统设计
下位机系统是无人船控制系统的重要构成，技术人员可以引进具有高性能、低功耗的微处理器作为主
控芯片，比如：S3C2440型号处理器。在设计过程中，技术人员需要着重考虑下位机系统的稳定性，在引进微处理器的同时对其进行研究测试，同时引进具有相应性能的集成控制板，将其作为驱动控制中心，对控制系统的信息采集子系统进行控制。集成控制板还可以负责多路传感器的信息采集控制工作，同时对无人船驱动数字档位板进行联动操控。在本次设计时，技术人员选择了STM32F103VCT6处理器的STM320集成控制板，连接控制系统继电器、无人船驱动器，根据不同的驱动器单位实现无人船的前进与后退控制；若STM320集成控制板接收到左拐的指令，则会做出相应反应，同时输出PWM信号，实现对无人船舵机的控制l2,o
1.3网络通信与导航系统设计
网络通信系统与导航系统是无人船控制系统中的重要子系统，是无人船良好运行、顺利接收指令的重要模块。
关于网络通信系统设计，技术人员通过这一子系统设计将无人船上的各种设备连接在一起，进行各种数据信息的共享。技术人员引进GPRS模块，将无人船与岸基监控系统联系在一起；引进分组无线服务技术，将电信网络与计算机网络联系在一起，促使无人船控制系统能够接收到岸基传输过来的控制信号，同时将这些数据传输到服务器，实现岸基对无人船的远程操控⑶。
关于导航系统设计，考虑到无人船的应用范围广泛、灵活性较强。无需搭载人员的特点，技术人员可
以在人工遥控的基础上设计自动导航航行模式，这主要是为了面对一些距离岸基较远、信号传输不良的工作环境，促使无人船能够根据自动导航系统的设定自动化操作，完成工作任务同时启动自主返回机制，进一步提升无人船的应用性能。在实际设计过程中，技术人员利用GPS定位系统，比较无人船当前位置、岸基位置与下发目的地，合理规划线路，将具体线路储存在无人机存储器中。技术人员可以引进计算算法，让无人船在运行过程中自主计算目的地的距离，控制自身行驶速度与角度，通过集成控制板接受指令，之后利用STM集成控制板驱动无人船驱动器与舵机，完成无人船行驶任务。在无人船的自动导航行驶过程中共，若遇到障碍物，则可以接受岸基系统发送的导航指令，通过下位机控制避开障碍物，传输所在位置，岸基工作人员则可以重新发送指令，规划线路，保证无人船能够到达目的地，顺利回到岸基⑷。
1.4信息采集系统设计
信息采集系统是无人船控制系统中获取数据资料、为控制系统运行提供精确依据的重要环节。无人船控制系统的设计，主要是为了满足无人船搭载生物显微镜、监控设备对海洋周边环境进行信息搜集、图像处理、环境参数监测的目的；其中的信息釆集系统则是通过各种传感器，在水面巡逻的过程中实时获取周边环境视频，对水的温度、湿度、水位、流速、降水、大气压数据等进行信息采集，之后进行水质分析功能；还可以对无人船的控制状态、行驶速度、经纬度、加速度、行驶方向角等进行数据信息获取。因此，在信息釆集系统设计时，技术人员需要引进导航定位模块、多种传感器设备、数据
采集系统、大数据分析技术、远程数据传输技术等，将传感器获取到的数据信息传输到STM32集成控制板，之后完成信息分析与传输任务。为了更好的接收数据，技术人员可以将STM32集成控制板的串口进行拓展，外接外围传感器⑸。
1.5动力系统设计
动力系统一般称为“动力装置子系统”，在这一设计环节，工作人员需要考虑到无人船的运行需求、工作环境、自身重量，细化其中的电压参数；还需要严格控制动力装置设备质量，保证其具有较强的防腐蚀、防渗透性能，以此维护动力系统稳定运行。在实际设计过程中，技术人员设计动力装置驱动力的额定电压为12V，引进蓄电池作为供电电源，提升无人船的续航功能；在电池规格设计时，可以选择12伏特105安时规格的电池。将蓄电池安装在动力装置驱动系统之后，其会在无人船开启的状态时发生内部化学反应，通过正负极间板的化学反应进行放电，将化学能转化为电能；若蓄电池电力不足以满足无人船运行需求，则可以引入电解液作为补充，
112
电子技术与软件工程
Electronic Technology&Software Engineering
自动化控制Automatic Control
以此持续为控制系统运行提供电源⑹。
2无人船控制系统设计方案实现路径
在完成上述系统框架、子系统的设计之后，为了更好的实现无人船控制系统运行目标，建议技术人员优化关键环节设计，丰富各系统功能，以此强化无人船控制系统运行能力，为无人船的稳定、可靠、高效运行提供保障。
2.1引进处理器设备，优化下位机控制中心
在无人船驱动系统设计中，技术人员引进了S3C2440微处理器，这一处理器的内核为ARM920T内核，具有较强的指令集控制功能，具备内存管理单元；技术人员可以在芯片内部设置虚拟地址，映射实际物理地址，从而实现外部硬件对内部内存的访问；引进这一微处理器之后，能够直接省略其他控制器控制模块，进一步降低控制系统的设计成本，还可以通过I/O进行特定功能驱动，优化微处理器的体系结构，加强无人船控制系统的下位机设计力度。结合微处理器集成功能，其具备LCO控制器、IIC总线控制器、IIS总线控制器、三通道串口UART、PWM定时器、看门狗定时器、10位ADC控制器等，能够充分满足无人船控制系统的运行需求。为了进一步强化控制系统运行效用，建议技术人员进行复位电
路设计，提升控制系统中电路系统的稳定性；技术人员可以采用复位芯片取缔传统阻容复位，充分发挥其能耗较低、稳定性较强的性能⑺。
2.2灵活利用设置元器件，丰富信息釆集功能
在无人船驱动系统设计中，技术人员可以灵活使用各种元器件，以元器件集成丰富系统功能，支持控制系统的信息采集需求，以此获取精准、可靠的监测信息，有效完成无人船运行任务。一方面，进行湿度、温度接口电路设计；技术人员可以使用数字温度传感器、温湿度传感技术与数字模块采集技术，以此精准监测目标的温度与湿度，获取精确数据，同时缩小温湿度釆集模块体积，简化釆集模块的电路系统；技术人员需要控制电路系统中的传感器传输距离＜20m，控制上拉电阻规格为4.7ko另一方面，引进超声波测距避障技术；为了促使无人船能够自动躲避障碍物，技术人员在设计中使用防水型的超声波XKC-007Y型号设备，将发生模块与接收模块集中在一起形成探头，控制感应角参数＜15°，充分满足数据采集与环境监测需求冈。
2.3完善下位机控制系统，凸显功能设计作用
在无人船驱动系统设计中，技术人员要优化下位机空盒子系统，重点开展功能设计。在实际过程中，下位机控制系统包括下位机主控制中心、驱动控制中心，在不同控制中心设计中，可以采用不同型号的集成控制板，以此满足控制驱动。举例分析，在主控制中心设计中，可以选择ARM9集成控制板，
同时搭载linux操作系统，引进GPS技术与GPRS技术进行编程，实现无人船的下位机与岸基监控子系统连通，促使其具备远程通讯、数据传输、信号传输等功能。此外，技术人员还需要优化嵌入式系统设计，分别对其CPU、电源、输入设备、输出设备、存储设备等进行管理，利用操作系统将嵌入式硬件与应用程序联系在一起，形成功能强大的下位机管理机制l9,o
2.4引进上位机管理软件，实现设计目标
在无人船驱动系统设计中，建议要积极引进上位机管理软件，以软件应用实现多种设计目标，提升无人船控制系统的应用价值。在无人船控制系统运行的过程中，需要采用无人船管理软件，分别连接到电脑端与手机控制端；技术人员可以将电脑端作为无人船位置实时查询、航速查询、无人船调度、经纬度数据分析、航线轨迹可视化分析的载体；将手机端作为无人船控制的重要渠道，利用手机中的GPS网络与无人船通信。在底层设计中，需要对无人船输入定位信息，以此支持手机对无人船位置的掌握与无人船运行的控制。技术人员可以很近RTOS嵌入式系统，完成无人船的航向控制、IMU数据传输、无线指令传输与控制等；还可以通过软件设计设置协议，实现多任务同时实时处理、定期更新数据校地等功能，实现无人船控制系统设计目标。
2.5优化控制模式，实现控制系统设计目标
在无人船驱动系统设计中，建议优化无人船控制模式，以合理控制模式实现控制目标，提升控制系统
linux内核设计与实现 pdf运行可靠性与有效性，进•步提升无人船的应用性能。技术人员可以接软件平台功能，引进经典的PID控制手段，灵活利用AC库中的多种不同控制模式，分别完成控制数据频率、控制手段、参数变量、位置矢量的细化设计，从而提高响应速度，满足当前需求，技术人员可以利用P控制器转换角度误差为旋转速率，之后将旋转速率转换为点击命令，以此实现对无人船的姿态控制，满足无人船的自动化、智能化控制需求何。3结语
综上所述，在无人船控制系统设计过程中，技术人员借助无人船体软硬件设计平台进行设计，分别从各个子系统入手，改善航向控制算法，提升航线的贴合效果；同时能够强化传感器之间的通讯传输效果，完善无人船的各种检测、跟踪与监控功能。为了更好的实现无人船控制系统设计目标，技术人员要结合实际情况合理选择处理器设备，以此强化下位机控制中心；之后要灵活利用各种元器件，重点设计下位机功能，引进上位机管理软件，细化控制模式设计，更好的实现无人船控制系统的设计目标，提升无人船整体应用性能。
参考文献
[1]晁鹤，郑恩让.基于STM32的无人船控制系统设计与实现[J].
计算机测量与控制,2019,27(10):129-133.
[2]孙庆业，黄涛，方青，李博•一种远距离遥控监测及采样的无
人船控制系统[P].安徽省:CN110632924A,2019-12-31.
[3]王柏林，唐梦奇，李佳，刘云平.基于无人船的水质监测及控
制系统设计[J].海洋技术学报,2019,38(04):32-38.
[4]张安民，徐唐进.基于RTK高精度定位的无人船控制系统[P].
天津市:CN110471416A,2019-11-19.
[5]齐春宝.一种无人测量船控制系统[P].江苏省：
CN210761195U,2020-06-16.
[6]王宁，吴亚，杨毅，高云程.一种小型无人船导航-制导-控
制系统设计与验证[J].大连海事大学学报,2019,45(04):1-8.
[7]吴军，卢秋铸，王亮，杨鑫，陈佰健.一种无人船的控制系统
和控制方法[P].湖南省:CN109144075A,2019-01-04.
⑻李治洋，汤永报，周培双，丁俊，钟德武，沈雪君.一种无人
船控制系统及无人船[P].安徽省:CN208915380U,2019-05-31.
[9]不公告发明人.一种用于无人船的积木式控制系统[P].山东
省:CN209543135U,2019-10-25.
[10]张扬，周立涛，苏军，吴倩.无人船釆样用智能控制系统[P].
天津市:CN109765080A,2019-05-17.
作者简介
陶瑞(1984-)，男，河南省三门峡市人。大学本科学历，工程师。主要从事智能无人船设计工作。
113