高性能無(wú)人帆船軟硬件設(shè)計(jì)

羅 瀟，劉旌揚(yáng)，王 健，張?jiān)７迹?宏

LUO Xiao,LIU Jingyang,WANG Jian,ZHANG Yufang,YI Hong

上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240

State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China

1 引言

無(wú)人帆船具備節(jié)能環(huán)保、長(zhǎng)程續(xù)航等特點(diǎn)，因此在情報(bào)搜集、海洋勘探、遠(yuǎn)海測(cè)繪、大宗商品貨運(yùn)等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[1-3]。不同種類的傳感器作為“耳目”感知環(huán)境，精確的執(zhí)行器作為“手足”控制船舶運(yùn)動(dòng)，同時(shí)需要強(qiáng)大的CPU單元作為“大腦”同時(shí)執(zhí)行多任務(wù)、處理信息、產(chǎn)生決策、下達(dá)指令。然而要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)航行，不僅要有較強(qiáng)的環(huán)境感知能力、決策能力、自適應(yīng)能力，同時(shí)還要具備冗余的處理能力，對(duì)于控制系統(tǒng)提出了較高的要求。

一般的微控制器很難在實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量和復(fù)雜算法的同時(shí)保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性[4-7]，而當(dāng)前國(guó)內(nèi)無(wú)人帆船實(shí)驗(yàn)平臺(tái)普遍使用的數(shù)據(jù)采集及處理的方式為，以船載計(jì)算機(jī)——使用較為普遍的是ARM微處理器——采集數(shù)據(jù)，并以無(wú)線傳輸提交給岸基電腦進(jìn)行處理，處理結(jié)果形成指令，再以無(wú)線傳輸形式下達(dá)給船載計(jì)算機(jī)。文獻(xiàn)[8]使用這種數(shù)據(jù)處理方式，采用模糊控制策略對(duì)無(wú)人帆船循跡航行的控制進(jìn)行了相關(guān)研究，而實(shí)際結(jié)果并不理想。原因在于，ARM微控制器短缺的處理能力無(wú)法完成無(wú)人帆船運(yùn)動(dòng)控制所需的大數(shù)據(jù)量采集和算法結(jié)算，因此提交給上位機(jī)處理，而無(wú)線傳輸方式較大地增加了延遲和數(shù)據(jù)失真的可能性，無(wú)法確保良好的實(shí)時(shí)性。文獻(xiàn)[9]采用基于Samsung S3C6410A處理器的嵌入式平臺(tái)，處理能力足夠，然而使用的2.4 GHz的無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備眾多，存在較大干擾，容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真和船模失控；運(yùn)用GPRS模塊接入公網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與PC端通訊的方式，信號(hào)覆蓋范圍受限于基站位置，信號(hào)質(zhì)量無(wú)法保證。因此希望設(shè)計(jì)一套可靠的無(wú)人帆船控制系統(tǒng)，以船載計(jì)算機(jī)同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，避免數(shù)據(jù)處理的無(wú)線傳輸，確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和精確性，這對(duì)處理器的計(jì)算能力提出了較高要求，因此選用PC/104單板計(jì)算機(jī)作為中央處理單元，確保足夠的處理能力。PC/104系統(tǒng)作為嵌入式PC的一種，在軟件和硬件上與標(biāo)準(zhǔn)的PC體系結(jié)構(gòu)完全兼容。它具有體積小、功能強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)，模塊間采用自堆疊方式安裝，便于靈活搭配以適應(yīng)不同的功能要求[10-16]。同時(shí)選用大功率5 GHz路由器建立局域網(wǎng)，覆蓋范圍廣，信道純凈，干擾少，數(shù)據(jù)保真度高。

本文基于PC/104和ARM設(shè)計(jì)了一套無(wú)人帆船航行控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由四個(gè)子系統(tǒng)組成：中央處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、底層驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)。中央處理系統(tǒng)為PC/104和ARM微處理器，PC/104使用開(kāi)源的python語(yǔ)言進(jìn)行軟件模塊化開(kāi)發(fā)，成本低，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單；ARM基于KEIL公司設(shè)計(jì)的RealView MDK開(kāi)發(fā)環(huán)境，以C語(yǔ)言進(jìn)行底層驅(qū)動(dòng)編寫，代碼運(yùn)行效率高。由于風(fēng)帆船航行過(guò)程中需要感知風(fēng)向和自身狀態(tài)（包括船舶姿態(tài)、帆角）、確定方位，因此傳感器系統(tǒng)需包含GPS系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航儀、風(fēng)向標(biāo)和帆角反饋系統(tǒng)。PC/104外接PCM-3644通訊卡，可提供8路標(biāo)準(zhǔn)RS232串口。傳感器均選用標(biāo)準(zhǔn)RS232接口，接插方便，易于更換，可擴(kuò)展性強(qiáng)。ARM接收PC/104下達(dá)的指令后，開(kāi)啟定時(shí)器Timer生成脈沖寬度調(diào)制信號(hào)（PWM）控制舵機(jī)及有刷直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行調(diào)速或轉(zhuǎn)向；或者生成PWM波，操縱引腳高低電平，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而改變帆角。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，有較高的精確度，在無(wú)人帆船自動(dòng)航行控制中可達(dá)到良好的控制效果。

同時(shí)，受美國(guó)X-2風(fēng)帆無(wú)人艇模塊化概念設(shè)計(jì)啟發(fā)，可將本套系統(tǒng)實(shí)用化為海上超長(zhǎng)航程復(fù)合任務(wù)平臺(tái)，可用于警戒、搜索、追蹤、攔截等。風(fēng)能為主、電能為輔的復(fù)合動(dòng)力設(shè)計(jì)保證無(wú)人艇超長(zhǎng)續(xù)航，非緊急狀態(tài)下使用風(fēng)帆推進(jìn)，進(jìn)入追蹤、監(jiān)視等緊急狀態(tài)自動(dòng)切換至電能推進(jìn)，合理搭配能源使用，高效完成既定目標(biāo)或應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況。多任務(wù)模式對(duì)應(yīng)多樣化功能需求，平臺(tái)需搭載多元功能模塊，該設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)于平臺(tái)的可擴(kuò)展性、可復(fù)用性和模塊化特點(diǎn)提出了較高要求，本文也以此為原則和創(chuàng)新點(diǎn)之一進(jìn)行設(shè)計(jì)，不詳述可加載的功能模塊，在增加相應(yīng)的功能單元時(shí)，只需將功能模塊信號(hào)端接入PC/104外接設(shè)備，電源線接入供電模塊，同時(shí)設(shè)計(jì)相應(yīng)的處理軟件即可。

2 無(wú)人帆船控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

無(wú)人帆船控制系統(tǒng)總體采用基于網(wǎng)絡(luò)通訊的上、下位機(jī)體系，無(wú)人帆船控制系統(tǒng)總框圖如圖1所示。

無(wú)人帆船控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：

（1）核心控制單元

核心控制單元包括上位機(jī)和下位機(jī)，上位機(jī)主要用于監(jiān)控?zé)o人帆船航行狀態(tài)，選用便攜式個(gè)人電腦。下位機(jī)用于采集并處理數(shù)據(jù)、發(fā)送操縱指令，置于無(wú)人帆船內(nèi)部。下位機(jī)的選擇綜合考慮可擴(kuò)展性、處理能力及尺寸，最終選取研華公司設(shè)計(jì)的PCM-3363主板，堆疊PCM-3644通訊卡以及PCM-3910電源板。

PCM-3363主板通過(guò)USB轉(zhuǎn)TTL模塊連接至ARM控制器的UART引腳，該電平轉(zhuǎn)換模塊主要為CH341A芯片，其電氣設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。VCC默認(rèn)接受USB的3.3 V電壓。輸入端J1與PC/104的USB口連接，輸出端J2與ARM控制器的UART引腳連接。通過(guò)該模塊可將PC/104端的電平轉(zhuǎn)換為TTL電平以實(shí)現(xiàn)指令下達(dá)。

（2）通訊系統(tǒng)

上位機(jī)通過(guò)遠(yuǎn)程桌面與下位機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊，監(jiān)控?zé)o人帆船航行狀態(tài)。通訊設(shè)備的選取綜合考慮傳輸速度、覆蓋域及抗干擾能力，最終選用TP-LINK公司生產(chǎn)的WDR7400 1750M型雙頻無(wú)線路由器。該路由器5 GHz頻段無(wú)線傳輸率高達(dá)1.3 Gb/s，測(cè)試傳輸距離遠(yuǎn)，且5 GHz頻段用戶少、不堵塞、信道純凈、干擾較少。上位機(jī)和下位機(jī)均配備5 GHz無(wú)線網(wǎng)卡，通過(guò)無(wú)線路由器建立的5 GHz局域網(wǎng)進(jìn)行高速穩(wěn)定通訊，確保了監(jiān)控的實(shí)時(shí)性和超遠(yuǎn)控制范圍。

圖2 主控單元電氣設(shè)計(jì)原理圖

圖3 底層驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)原理圖

（3）底層驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

底層驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括底層驅(qū)動(dòng)器和執(zhí)行器。底層驅(qū)動(dòng)器選用ARM微處理器，該處理器以Cortex-M3為內(nèi)核。無(wú)人帆船系統(tǒng)的控制包括帆角控制和艏向控制，風(fēng)帆由步進(jìn)電機(jī)操縱，艏向由舵機(jī)操縱，此外加裝直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳推進(jìn)，為方便實(shí)驗(yàn)結(jié)束后回收船舶。執(zhí)行器分別為步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)和直流無(wú)刷電機(jī)。

本文選用57HS76型步進(jìn)電機(jī)，扭矩大、體積小、精度高、利于布置。該步進(jìn)電機(jī)配備TB6560 3A步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可進(jìn)行調(diào)速、正反轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)、精度調(diào)節(jié)。采用6N137高速光耦，保證高速不失步；內(nèi)置東芝TB6560AHQ原裝芯片，含低壓關(guān)斷、過(guò)熱停車以及過(guò)流保護(hù)電路，保證使用的安全性；并且該驅(qū)動(dòng)器可對(duì)1.8°步長(zhǎng)進(jìn)行整步、半步、1/8步、1/16步細(xì)分。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器信號(hào)輸入端與ARM控制器脈沖信號(hào)端連接，輸出端與步進(jìn)電機(jī)信號(hào)線相連；輸入端采用共陽(yáng)接法，EN端低電平或懸空時(shí)為工作狀態(tài)，高電平時(shí)為脫機(jī)狀態(tài)；CLK端輸入5 V脈沖，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，無(wú)輸入時(shí)自動(dòng)進(jìn)入半流狀態(tài)，鎖定電機(jī)；CW端低電平時(shí)正轉(zhuǎn)，高電平時(shí)反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)與絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器反饋對(duì)帆角形成閉環(huán)控制。

與此類似，ARM控制器控制信號(hào)端連接直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器輸出端連接直流電機(jī)，可通過(guò)調(diào)節(jié)PWM波的占空比實(shí)現(xiàn)調(diào)速，同時(shí)可驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)及剎車。舵機(jī)選用Tower Pro公司設(shè)計(jì)的MG995型大扭力伺服舵機(jī)，舵角與輸入的50 Hz的PWM波占空比呈正相關(guān)。舵機(jī)與慣性導(dǎo)航儀的艏向反饋對(duì)帆船艏向形成閉環(huán)控制。

該套底層驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也適用于其他自航模型實(shí)驗(yàn)，可移植性較好。底層驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。

（4）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由多個(gè)傳感器和通訊卡組成，傳感器實(shí)時(shí)采集無(wú)人帆船傳感信息，并均通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)RS232接口以特定頻率傳送至通訊卡，方便易用，更換簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展性強(qiáng)。選取的傳感器數(shù)據(jù)列表如表1所示。

DGPS系統(tǒng)所選型號(hào)為GNSS RTK，包括基站和移動(dòng)站，基站為岸基系統(tǒng)，移動(dòng)站置于無(wú)人帆船上，均可通過(guò)Ethernet端口連接PC，登錄內(nèi)置Web服務(wù)器進(jìn)行監(jiān)視和配置，設(shè)置輸出頻率、端口、NEMA-0183協(xié)議語(yǔ)句。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)所選型號(hào)為AHRS5110M，集成三個(gè)MEMS陀螺儀、三個(gè)MEMS加速度計(jì)、三個(gè)磁場(chǎng)計(jì)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊后，接入CPU模塊，并且在高性能數(shù)據(jù)處理芯片中嵌入特有的數(shù)據(jù)融合濾波算法，使系統(tǒng)即使在沖擊振動(dòng)狀態(tài)下，也有穩(wěn)定的姿態(tài)數(shù)據(jù)輸出。絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量帆角，單圈12位分辨率，采取IP67/IP68防護(hù)等級(jí)，連接ARM控制器時(shí)需共地。

（5）供電系統(tǒng)

無(wú)人帆船的船載設(shè)備均通過(guò)高性能鋰電池供電。由于設(shè)備眾多，供電電壓各異，為減小體積，采用寬輸入隔離電源模塊進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換和隔離，具有隔離穩(wěn)壓功能和長(zhǎng)期短路保護(hù)作用，所選的隔離電源模塊為WD5-12S3.3VA1和WD12-12S05B1型。控制系統(tǒng)供電電壓為直流24 V、12 V、5 V，使用一塊24 V、3塊12 V高性能鋰電池供電，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器需24 V電源，可直接為直流電機(jī)供電；PC/104供電電壓12 V，其電源板可輸出5 V電壓為散熱器供電；DGPS、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器均為12 V供電；風(fēng)向標(biāo)、絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器、ARM及舵機(jī)均為5 V供電，所需5 V電源通過(guò)12 V-5 V的隔離電源模塊降壓提供。各設(shè)備與電源通過(guò)插拔式接線端子連接，采用接口化設(shè)計(jì)，模塊化程度高，使用方便，更換簡(jiǎn)潔，可移植性強(qiáng)。

表1 傳感器型號(hào)

2.2 軟件設(shè)計(jì)

按照結(jié)構(gòu)劃分，無(wú)人帆船軟件設(shè)計(jì)分為PC/104主控計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)和ARM控制器軟件設(shè)計(jì)。按照本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，PC/104主控單元需采集、存儲(chǔ)、顯示并處理各傳感器數(shù)據(jù)，向ARM控制器下達(dá)指令，因此需設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集軟件、監(jiān)控界面、預(yù)留算法模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能包含于數(shù)據(jù)采集軟件，指令生成下達(dá)功能包含于預(yù)留算法模塊；ARM接收動(dòng)作指令并執(zhí)行，因此需設(shè)計(jì)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)程序。軟件結(jié)構(gòu)框架圖如圖4所示。

圖4 無(wú)人帆船軟件結(jié)構(gòu)框圖

整體軟件流程圖如圖5所示。

圖5 整體軟件流程圖

（1）執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)程序在PC端編輯，使用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，編譯后經(jīng)FlyMcu軟件燒錄進(jìn)ARM控制器ROM并固化。程序功能為驅(qū)動(dòng)電機(jī)、舵機(jī)和步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，主要包括指令接收和動(dòng)作執(zhí)行兩部分，前者分析指令并解碼指令值，后者使能定時(shí)器、GPIO，產(chǎn)生PWM信號(hào)和脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器動(dòng)作。

（2）數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)選擇臺(tái)灣凌陽(yáng)公司生產(chǎn)的TN_9紅外探測(cè)傳感器作為測(cè)溫模塊，外形如圖3所示。它是一種集成的紅外探測(cè)器，內(nèi)部有溫度補(bǔ)償電路和線性處理電路。 其測(cè)量距離大約為30m；測(cè)量回應(yīng)時(shí)間大約為0.5s。測(cè)量距離∶目標(biāo)直徑=1∶1(如圖4所示)，即傳感器溫度感測(cè)口到測(cè)量目標(biāo)的距離a與測(cè)量目標(biāo)直徑b的比例為1∶1，當(dāng)然如果測(cè)量目標(biāo)為等溫物體，測(cè)量目標(biāo)的直徑b也可以大于測(cè)量距離a，傳感器的視場(chǎng)約為53.2°。傳感器尺寸為12mm×13.7mm×35mm，體積較小，分辨率為0.062 5°C；而且它具備SPI接口，可以很方便地向單片機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。

無(wú)人帆船實(shí)驗(yàn)需要采集的數(shù)據(jù)在表1中測(cè)量數(shù)據(jù)欄，使用Python語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，分別開(kāi)設(shè)四個(gè)串口讀取傳感器數(shù)據(jù)，將原始數(shù)據(jù)存于txt文本文件，校驗(yàn)數(shù)據(jù)并作切片處理，解碼分析。采用多線程任務(wù)處理模式同步接收傳感數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。各傳感器均采用標(biāo)準(zhǔn)RS232串口輸出數(shù)據(jù)，因此不同采集模塊的流程類似，以姿態(tài)傳感器為例，其數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示。

圖6 姿態(tài)數(shù)據(jù)采集軟件流程圖

（3）算法模塊設(shè)計(jì)

算法模塊為預(yù)留模塊，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求設(shè)計(jì)。算法自數(shù)據(jù)采集軟件獲取數(shù)據(jù)，按照算法邏輯進(jìn)行處理，得出最佳艏向角和操帆角，生成操控指令并打開(kāi)特定串口下達(dá)給ARM執(zhí)行程序。操控指令按特定數(shù)據(jù)協(xié)議生成，以十六進(jìn)制發(fā)送。數(shù)據(jù)協(xié)議如圖7所示。

圖7 操縱指令數(shù)據(jù)協(xié)議

（4）監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

監(jiān)控界面使用python自帶的GUI設(shè)計(jì)模塊TKinter進(jìn)行設(shè)計(jì)，分為監(jiān)控區(qū)域、自動(dòng)航行控制、非自動(dòng)航行控制。監(jiān)控區(qū)域顯示傳感器數(shù)據(jù)，自動(dòng)航行控制區(qū)域主要用于自動(dòng)航行控制實(shí)驗(yàn)。自動(dòng)航行實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，推進(jìn)電機(jī)關(guān)閉，僅利用風(fēng)帆推進(jìn)，數(shù)據(jù)采集軟件開(kāi)始讀取并存儲(chǔ)傳感數(shù)據(jù)，算法模塊開(kāi)始計(jì)算、生成并下達(dá)操控指令。非自動(dòng)航行控制區(qū)域用于非實(shí)驗(yàn)時(shí)間的船舶控制，有利于船舶的快速回收。監(jiān)控界面如圖8所示。

圖8 無(wú)人帆船監(jiān)控界面

3 實(shí)驗(yàn)

基于無(wú)人帆船最主要的研究工作為算法實(shí)驗(yàn)研究，本套系統(tǒng)以此為設(shè)計(jì)目標(biāo)之一，但并不限于算法實(shí)驗(yàn)研究，同時(shí)可實(shí)用化為海上超長(zhǎng)航程復(fù)合任務(wù)平臺(tái)。若系統(tǒng)能夠按照算法設(shè)計(jì)，精確地實(shí)現(xiàn)算法功能，那么該套系統(tǒng)便是成功的設(shè)計(jì)，可用于各種算法實(shí)驗(yàn)研究工作，同時(shí)也證明了復(fù)合任務(wù)平臺(tái)基本航行功能的有效性。選用Roland Stelzer提出的一種簡(jiǎn)單有效的短途路徑規(guī)劃算法驗(yàn)證無(wú)人帆船系統(tǒng)的有效性，算法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[14]。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為上海交通大學(xué)致遠(yuǎn)湖，湖長(zhǎng)260 m，寬80 m，湖深5 m，湖面周圍無(wú)高大建筑物，風(fēng)情較為穩(wěn)定。

圖9為實(shí)驗(yàn)中的無(wú)人帆船，船長(zhǎng)1 m，寬0.4 m，排水量11 kg，選用的圓弧型帆高0.4 m，寬0.35 m。實(shí)驗(yàn)分為橫風(fēng)實(shí)驗(yàn)、順風(fēng)實(shí)驗(yàn)、逆風(fēng)實(shí)驗(yàn)三種風(fēng)況。對(duì)算法進(jìn)行仿真，所得航跡結(jié)果如圖10所示。

圖9 無(wú)人帆船實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

圖10 無(wú)人帆船三種風(fēng)況仿真航跡圖

圖11 橫風(fēng)船舶航跡圖

圖12 順風(fēng)船舶航跡圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11～13所示，圖14為實(shí)際艏向角對(duì)計(jì)算艏向角的響應(yīng)圖。由圖14可以看出，實(shí)際艏向角對(duì)計(jì)算艏向角響應(yīng)效果良好，契合程度較高。其中差值來(lái)源于實(shí)際風(fēng)向的改變和船舶運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的目標(biāo)向量的改變兩方面的原因，差值的消除，均在5 s以內(nèi)，這是船舶自動(dòng)操縱對(duì)算法結(jié)果的實(shí)時(shí)響應(yīng)，說(shuō)明船舶可以通過(guò)靈敏的轉(zhuǎn)舵，達(dá)到預(yù)期艏向值，時(shí)間在5 s以內(nèi)，說(shuō)明算法的執(zhí)行效果良好，執(zhí)行器對(duì)算法的響應(yīng)效果優(yōu)異。同時(shí)對(duì)比相同風(fēng)況下的仿真結(jié)果可以看出，兩者航跡線形狀十分相近。圖13中的航跡在最長(zhǎng)處出現(xiàn)偏折是由于絕對(duì)風(fēng)向改變。說(shuō)明無(wú)人帆船控制系統(tǒng)可以精確而有效地實(shí)現(xiàn)算法功能。

圖13 逆風(fēng)船舶航跡圖

圖14 艏向角響應(yīng)效果圖

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)無(wú)人帆船的實(shí)驗(yàn)需求，設(shè)計(jì)了一套基于PC/104和ARM微處理器的無(wú)人帆船控制系統(tǒng)，且硬件、軟件均具備良好性能，滿足精度要求。同時(shí)硬件連接的模塊化，豐富的外設(shè)接口，使得該套系統(tǒng)具備無(wú)可比擬的可擴(kuò)展性、可移植性和可復(fù)用性，不僅可以應(yīng)用于無(wú)人帆船的實(shí)驗(yàn)研究，還可以方便地插接其他功能模塊和相應(yīng)傳感器，進(jìn)行各種自航模實(shí)驗(yàn)研究，為無(wú)人帆船的實(shí)驗(yàn)研究節(jié)省大量時(shí)間。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該套系統(tǒng)可以精確有效地實(shí)現(xiàn)算法功能，可作為無(wú)人帆船實(shí)驗(yàn)研究的平臺(tái)；同時(shí)作為海上超長(zhǎng)航程復(fù)合任務(wù)平臺(tái)的基本航行功能也得到了有效驗(yàn)證。后續(xù)的研究目標(biāo)為搭載相應(yīng)的功能模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，查看該平臺(tái)對(duì)不同任務(wù)的執(zhí)行效果，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相應(yīng)功能模塊的具體可實(shí)現(xiàn)性。

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