基于WIFI 的景區游船控制系統設計

徐麗涵 董若凡 李京鵬 喻漢 朱 濤（指導老師）

（臺州學院，浙江 臺州318000）

隨著國民經濟的增長和人民生活水平的逐步提高, 人們各種各樣的旅游需求也隨之迅速增加。水上客運旅游化發展已成為水路客運轉型升級、可持續發展的必由之路。人工駕駛的基礎也造成了戶外游船乘坐成本的居高不下;而降低成本,提升景區游船乘坐的娛樂性也成了當前成為當前亟待解決的問題。而基于WIFI 的景區游船控制系統設計可以解放人工提高經濟效應,提高景區游船的娛樂性等是解決上述問題的可靠途徑,因此對于景區游船的智能化控制也是必不可少的。

游艇的電子自動導航系統在很久以前就已經被開發應用了, 這類系統可以使再受到外部的影響較小時可以維持自動駕駛的功能,并且可以為駕駛員節省出大量的個人時間來休息,減輕駕駛員的工作負擔,減少了意外事故發生的可能性。作為一種新興的高新技術,自動駕駛及預警呼救技術涉及人機工程、人工智能、數據通信等眾多領域因而在中國的景區發展中的作用還較為薄弱。對于國內的景區游船而言有著較多的問題比如管理不夠規范、同質化競爭激烈、發展不均衡等,這些都造成了國內發展的緩慢和市場的空缺。

而本設計系統是以手機APP 為基礎的自動駕駛及安全預警系統,即能夠填補中國內地市場的空缺,又能提供一個自動駕駛的新型發展方向。本設計系統能夠實現較小范圍內景區游船的自動駕駛,而通過手機APP 來控制游船又提升的乘船的娛樂性。手機APP 中可以規劃多條路線,游客通過下載APP 后可以選擇自己的想要游玩的路線,游船就可以按照規劃的路線行駛。而當一端的游船數量不夠后游船就可以自動地返回, 游船相互之間有著GPS 信號當游船在同一條路線上時, 回程的游船將會改變路線以防止游船的相撞。

1 基于WIFI 的景區游船控制系統設計的基本原理

景區游船控制系統的結構:

分析圖1 可知景區游船控制系統主要由:單片機系統、手機APP、隨動控制系統、數據傳輸模塊、GPS 定位系統、WiFi 和SIM卡模塊組成。控制器上的定位系統將船的位置通過移動網絡傳輸到手機APP, 手機APP 可以分為駕駛員模式及游客模式,無論是游客端還是駕駛員端都可時刻監測船的位置與航線。駕駛員端還可以通過手機APP 傳遞信號控制隨動控制系統(自動駕駛時的信號則可利用電羅經檢測船舶實際航向α,然后與給定航向K°進行比較,其差值作為操舵裝置的輸入信號,使操舵裝置動作,改變偏舵角β。在舵角的作用下,船舶逐漸回到正航向上。船舶回到正航向后,舵葉不再偏轉)到控制器,再通過控制器控制電機以及電動推桿,電機控制航速,電動推桿控制航角。

2 仿真及實物測試

2.1 無線通信技術的選擇

目前行業中常用的無線通信技術主要有藍牙、WIFI 、SIM卡等一些通信方式。針對這幾種常見的無線通信方式,進行總結比較,其比較結果如表1 所示。

圖1 景區游船控制系統的結構

表1

根據上表可知, 藍牙通信技術能夠較遠的距離實現電子設備傳輸數據、連接網絡但傳輸的速度較慢,WIFI 數據傳輸速度較為穩定但覆蓋的范圍小而sim 卡覆蓋范圍大但是傳輸速度較為不穩定。因此本系統采用WIFI 和Sim 卡共同使用進行數據之間的傳輸

2.2 定位系統的分析和設計

2.2.1 GPS 衛星信號測試

測試1:室內

測試2:空曠場地

測試3:室外復雜地點

通過多次試驗發現,室內環境接收不到衛星信號,室外有較強信號。

2.2.2 天線信號測試

天線是接收機前端最關鍵的部分, 只有保證它的可靠性才能充分體現到接收部分的性能。

2.2.3 GPS 功耗測試

表2

2.2.4 GPS 事后差分定位精度測試

表3

2.2.5 GPS 的誤差分析:

當前,GPS 雖然在全世界的定位、導航等方面得到了廣泛的應用,但是GPS 定位系統的精度受到的影響因素比較的多,比如天氣因素、多徑效應、當前可見GPS 衛星數量、衛星時鐘誤差等,只有對這些影響因素做了詳細的分析才能將誤差減小至盡可能地少,從而更好地設計GPS 接收和軟件。由于游船是在水上航行,本身的環境對GPS 精確度的影響會比較的大,只能通過一些措施將GPS 定位的精確度盡可能地提高, 因此在天氣比較惡劣的極端條件下就必須采用差分定位的方式以提高游船的GPS定位的精確度。

WiFi 定位的過程:WLAN 網絡的AP 通過廣播形式向四周發送Beacons 數據包,WLAN 中的終端設備在打開WIFI 功能的前提下通過掃描偵測到該AP,并對其SSID 進行鑒別和對比,發送請求連接經過認證并連接到該AP。服務器通過連接的網絡信息以及其周邊的其他網絡信號的強弱就可以通過MAC 地址的坐標就可以計算出終端設備的具體位置。

而GPS 定位以及WiFi 定位都有著它的缺點比如GPS 定位的缺點即精確度比較的低, 而WIFI 定位的缺點也比較的明顯,它需要有著發送數據的信號基站而且室外的信號強度會比較的弱能確定的位置范圍也是比較的小。

所以根據這些定位系統的優缺點本文采用了INS 即慣性導航系統,其工作原理是建立在牛頓第二定律基礎上的。而慣性導航系統則是用三個方向不同的加速度計對三個不同方位的加速度進行測量。參考慣性參考坐標系進行加速度方向的測定,而陀螺儀可以判斷慣性參考坐標系相對于載體的旋轉的角度,之后將加速度分解后進行積分。之后通過加速度對時間的連續數學積分就可計算得到物體的速度和位置的變化。在室外GPS 信號較弱時可以用慣性導航系統將軌跡進行規劃從而使游船按照預定的軌跡行駛。

2.3 手機APP 的設計及使用

圖2

本系統實現的Android 手機定位系統主要基于的是WIFI 模塊實現的局域網內的控制, 手機端作為客戶端與STM32 相連。手機端通過發送一串數字指令給STM32 來實現控制船的方向和位置信息傳輸等功能的實現。故APP 設計完成后還需測試其是否能和STM32 服務器端實現正常的通信。在使用時手機需先連接服務器建立的WIFI 信號,然后打開APP,點擊網絡連接按鈕,與服務器建立連接。連接好服務器后,然后選擇想要實現的功能, 再點擊發送指令按鈕, 將指令發送給服務器, 完成控制。APP 能實時顯示STM32 采集的位置信息。系統能夠通過APP遠程的控制游船的移動方向又能進行手動的控制調整游船的位置。

3 結論

本系統還存在以下幾點待改進或是可行的方向:a.測試過程中發現本系統在響應Android 控制的時候反應速度有點慢,主要問題可能是可能是需要進行兩次通信,并且代碼編的較為復雜,效率較低;b.只實現了局域網內的簡易控制,沒有實現遠距離通信,有待改進。c.船的位置信息不能實時顯示,這是一個改進的方向之一。