基于STM32的水面無人艇控制系統設計

【關鍵詞】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的成熟，越來越多的機構，包括研究所、院校和企業等，開始研究和應用水面無人艇[1]。水面無人艇是一種能夠在海洋、河流等水域環境中執行一些復雜或危險任務的平臺，如水質檢測、事故搜尋救助等，與載人船舶和浮動平臺等設備相比，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點，這使得無人艇具有廣闊的應用前景[2]。

本文設計的水面無人艇控制系統是其核心部件，可通過PS2無線手柄或遙控實現多種航行模式，包括前進后退、轉向及固定軌跡航行，確保了方向和速度的精確控制。系統采用增量式PID算法結合霍爾編碼器測量的速度，實現對推進器轉速的閉環控制，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、安全執行任務。

一、系統總體設計方案

本文設計了一種基于STM32單片機的水面無人艇控制系統，包括方向控制、無線通信和緊急制動功能。如圖1所示，系統由STM32單片機、電源、PS2無線遙控、避障模塊、無刷電調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測轉速，并通過增量式PID算法對無刷電調的PWM值進行精確調整，以穩定推進器速度。PS2無線手柄用于航行模式控制，紅外避障傳感器實現緊急制動，提升系統安全性能。

二、系統硬件電路設計

該系統主要硬件包括主控芯片、PS2無線手柄、電源模塊、避障模塊以及驅動模塊。如圖2所示，這些模塊之間的電路連接，構成了整個系統的硬件架構。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，易實現精確控制。配備電源模塊和RTC晶振電路，確保系統穩定運行和時鐘準確性[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用于全雙工數據通信，CS/SEL用于控制通信狀態，GND和VDD提供電源。通信啟動時，CS/SEL引腳接收低電平，通信結束后返回高電平[5]。通信初始階段，STM32單片機向手柄發送“0x01”命令請求ID信息，手柄回復“0x41”（綠燈）或“0x73”（紅燈）以確認模式。隨后，控制板發送“0x42”命令獲取數據，手柄以“0x5A”響應[6]。

3.電源模塊：本文選擇+12V的鋰電池作為系統的主電源，為無刷雙向電調供電的同時，通過直流穩壓電源轉化器將+12V電壓轉換為+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相應的操作信號[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.驅動模塊：無刷雙向電調是專為控制無刷電機而設計的裝置，可實現雙向控制功能，調節電機的轉速和運行方向。通過STM32單片機輸入的PWM控制信號實現，具有高效率、低噪音和精準控制等特點，并提供多項保護功能確保系統安全。

三、增量式PID控制算法實現

（一）增量式PID控制算法

增量式PID控制算法是基于比例-積分-微分控制器的閉環控制算法，通過計算當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，產生新的控制器輸出。計算公式如下[10]：

（1）式中：ΔU（k）表示當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PID算法，具有更高精度和響應速度，能更快、更準確地響應系統變化，實現更穩定可靠的控制效果。

（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跟蹤響應曲線，描述了系統經過增量式PID控制調節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，反映了系統在增量式PID控制調節后產生的誤差變化情況。

從圖3和圖4可以看出，在時長為1s的仿真情景下，當在0.1s施加的干擾信號出現時，系統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顯示系統加入干擾信號時，誤差會有所增加，但經過PID控制算法調節，其誤差逐漸減小，最終趨于穩定。綜合來看，該控制系統不管在面對干擾信號時，能夠較好地追蹤理想位置，調節速度快，并且具有較小的誤差。

四、控制系統程序設計與實現

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

（一）主程序設計

系統上電后進行初始化工作，包括對時鐘、延時函數、定時器等進行設置。系統主程序流程如圖5所示，初始化完成后，系統進入等待命令狀態。當收到無線遙控手柄指令時，執行相應程序，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，則立即調用避障模塊進行制動。如果沒有障礙物，則繼續執行無線遙控指令，直到任務結束。

（二）驅動模塊程序設計

驅動模塊子程序初始化后，根據電機期望轉速和狀態設置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速，通過定時計數器捕獲脈沖信號數量，并利用增量式PID算法對速度偏差進行補償，實現閉環控制，確保電機穩定保持目標速度，使無人艇運動更加平滑和精準。

（三）避障模塊程序設計

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

五、測試

本設計旨在實現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PS2無線手柄傳輸的控制信號進行運動，并在遇到障礙物時自動實施緊急制動。為了驗證設計目標，按照以下描述進行測試：

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

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

經過測試和調試，結果顯示避障模塊可檢測的范圍是無人艇前后端90°扇形區域。同時，無線手柄的控制信號穩定可靠，在30次遙控測試中，有28次能夠實現緊急制動，成功率達到93%。圖6展示了無人艇水面測試的情況。

結束語

本文設計的以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，結合增量式PID控制算法實現動力系統的穩定控制。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，具有應用價值。