基于DSP的雙槳無人艇直線路徑跟蹤設計與方法

盧章成

摘 要：文章根據雙槳無人水面艇的運動特性，提出了一個基于雙槳無人艇的直線路徑跟蹤方法。介紹了使用該控制方法的控制結構，并基于DSP嵌入式平臺，提出了該控制方法的軟件設計思路。

關鍵詞：雙槳無人艇；DSP；直線路徑跟蹤

無人艇作為一種無人水面智能平臺，具有成本低、適應性強、操縱靈活、易于維護等特點[1]，有著廣闊的應用及發展前景。可根據下達的不同命令完成相應的任務，如偵查、搜救、巡邏、排雷、反恐攻擊等。

無人艇包括單槳單舵、雙槳、雙槳帶舵、雙槳雙舵、單泵噴水等多種運動方式，無人艇的設計涉及艇體制造、動力推進、通信導航、運動控制等方面。

無人艇的研究設計，也帶起了國內外學者一片火熱的學術風潮。無人艇的運動控制技術也是倍受關注。文元橋等[2]針對航行環境和船速變化下的無人艇路徑跟蹤控制問題，提出了一種基于變增益內模控制方法的無人艇自適應路徑跟蹤控制器。利用視距（Line of Sight，LoS）制導算法設計并實現無人艇的自適應路徑跟蹤控制器。董早鵬等[3]針對無人艇高速航行過程中航向控制問題，提出一種基于改進細菌覓食算法優化的PD控制算法。用于優化PD控制參數，并通過半物理仿真實驗驗證了所提出算法的有效性、可靠性和優越性。趙東明等[4]針對常規PID控制器在無人艇航向控制系統中表現出抗干擾能力弱、控制精度低等問題，提出了一種應用模糊神經網絡算法的航向控制器設計方法，提高了無人艇在復雜環境中的自適應能力。廖煜雷等[5]針對單泵噴水推進器提出了一種反步自適應滑模控制方法，證明了該定律可以保證航向跟蹤系統的全局漸近穩定性。

本文研究的主要內容為雙槳無人艇的直線路徑跟蹤問題，被控對象為一艘雙槳無人水面艇。通過對艇載差分GPS和位姿傳感器等艇載高精度傳感器數據的解算，對兩個螺旋槳的轉速進行實時控制，從而實現雙槳無人艇的直線路徑跟蹤功能。

1 系統架構與功能

無人艇控制系統分為兩部分：岸基控制中心和無人艇艇載控制中心，彼此之間使用了4G的通訊方式，通過以太網進行傳感器數據以及控制命令的傳輸，具體框架如圖1所示。

其中，艇載控制中心由5個主要部分構成，第一個為岸基控制中心和艇載控制中心的通訊鏈路部分，艇載控制中心通過4G路由器和岸基控制中心的4G路由器之間通過以太網進行通訊，方便岸基控制中心能夠向艇載控制中心發送控制指令，使得艇載控制中心能夠向岸基控制中心發送艇載傳感器測得的各項參數和無人艇實時的運動狀態等信息，從而使得人機交互界面更加友善，方便研發調試人員對無人艇的自主功能進行調試。第二個為傳感器部分，包括厘米級的差分GPS、毫米波雷達、聲吶以及姿態傳感器MPU6050，其中，差分GPS為無人艇提供經緯度以及速度方向的信息，毫米波雷達和聲吶為無人艇提供水上及水下的障礙物距離及方位信息，MPU6050為無人艇提供姿態信息。第3個為各傳感器的數據采集部分，艇載控制系統上搭載高精度傳感器需要的接口較多，所以使用了本實驗室自主研發的數據采集板卡，該板卡使用的主控芯片為GD32，內核是Cortex-M3的升級版，具有較快的數據處理能力和較高的穩定性。由于差分GPS的數據量較大，為了防止通訊卡頓，我們將差分GPS和其余3個傳感器分兩塊數據采集板卡進行數據采集，分攤數據采集板卡的壓力，兩塊數據采集板卡之間使用網口通訊的方式，使得板卡間的數據傳輸更加地快速準確，數據采集板卡更是連接上位機和主控DSP之間的重要樞紐。第4部分為艇載控制中心的主控部分，該部分使用的是DSP28335，該款DSP具有較強的計算能力，也具有較多的通信接口。在數據采集板卡1接收到上位機的控制指令后通過串口將控制指令發送到DSP的串口A，將接收到的傳感器數據通過串口將該數據發送到DSP的串口C。在DSP接收到相應的指令后會判斷控制模式，如果進入自主模式，DSP主控板卡將會對各傳感器的數據進行解算，根據在DSP上編寫的控制算法，最后計算出實時應該加載在電機驅動上的轉速，然后通過485通信將計算出的轉速傳輸給電機驅動模塊，最后一個部分是電機驅動模塊，該模塊的作用是根據主控DSP發送過來的轉速信息，將該信息形成相應的模擬信號，將該信號加載在電機驅動器的信號端，電機驅動器接收到信號改變電機的轉速。

為了保證整個通訊系統的正常通信，本文定義了無人艇數據的傳輸格式，如表1所示。

岸基控制中心和艇載控制中心通過4G的方式進行通信。由數據采集板卡接收傳感器原始數據然后將傳感器數據打包成制定好的數據格式，將該數據發送至主控DSP板卡，DSP主控板卡對傳感器數據進行計算并運行控制算法代碼算出雙槳無人艇左右螺旋槳轉速，從而實現無人艇的直線軌跡跟蹤。

其中主控板卡為TMS320F28335，是一款TI高性能TMS320C28x系列32位浮點DSP處理器。具有精度高、成本低、功耗小、性能高、外設集成度高、數據以及程序存儲量大等特點。能夠滿足艇載控制中心的計算需求。

2 控制算法設計

由于雙槳無人艇滯后性強，響應速度慢，僅根據無人艇的航向進行控制難以達到理想的直線跟蹤控制效果。本文在航向控制的基礎上，增加了對轉向角速度的控制，提高了雙槳無人艇運動控制的響應速度和控制精度，其控制結構如圖2所示。

該算法可以看成是一個聯調控制系統。不斷的計算得到雙槳無人艇的實時航向，從而得到在航行過程中無人艇的實時航向誤差。由于無人艇系統慣性強、滯后性較大，本文的控制算法實際上是將控制的對象從航向偏差變為轉向角速度。在有航向偏差出現時，時刻調整轉向角速度的設定值，使之能夠適應航行環境變化。該算法使整個無人艇運動控制系統的響應時間縮短很多，控制效果更加及時。

3 軟件設計

本文研究的雙槳無人艇的控制系統以DSP28335為核心，通過實時采集電機的霍爾信號計算得知螺旋槳實時轉速，記錄雙槳無人艇的初始航向為標準值。然后根據差分GPS的經緯度數據，計算實時航向和上個時刻的航向，從而得到航向偏差的值。根據航向偏差調整內環轉向角速度的設定值，根據位姿傳感器的數據實時采集轉向角速度的數據，然后得到內環轉向角速度的偏差，根據內環轉向角速度控制器的輸出值，得到左右螺旋槳的差速。從而得到雙槳無人艇左右螺旋槳應該加載的理想轉速，將DSP的轉速信號實時調整為理想轉速響應的控制信號。通過閉環控制實時將左右螺旋槳的轉速實時逼近理想轉速。將實時航向無限逼近于一開始記錄的航向標準值，從而實現雙槳無人艇的直線跟蹤功能。

4 結語

本文根據雙槳驅動水面無人艇響應速度慢、滯后性強的特點，設計了一種適合雙槳水面無人艇的運動控制系統，并設計了一種適合該控制對象的控制算法，能夠有效縮短雙槳無人艇的反應時間，加快響應速度，并且介紹了實現該算法的軟件流程思想。

[參考文獻]

[1]SWARM.Autonomous boats take on navy missions[N].Navy US，2014-03-06（5）.

[2]文元橋，楊吉，王亞周，等.無人艇自適應路徑跟蹤控制器的設計與驗證[J].哈爾濱工程大學學報，2019（3）：482-488.

[3]包濤，茅云生，董早鵬，等.基于改進BFO優化的高速無人艇航向PD控制[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2018（6）：1029-1033，1038.

[4]趙東明，柳欣，周浩.水面無人艇模糊神經網絡航向控制器設計[J].華中師范大學學報（自然科學版），2018（3）：329-332，346.

[5]廖煜雷，莊佳園，龐永，等.單噴泵無人滑行艇航向的反步自適應滑模控制[J].智能系統學報，2012（3）：246-250.