基于DSP的双桨无人艇直线路径跟踪设计与方法

卢章成

摘 要：文章根据双桨无人水面艇的运动特性，提出了一个基于双桨无人艇的直线路径跟踪方法。介绍了使用该控制方法的控制结构，并基于DSP嵌入式平台，提出了该控制方法的软件设计思路。

关键词：双桨无人艇；DSP；直线路径跟踪

无人艇作为一种无人水面智能平台，具有成本低、适应性强、操纵灵活、易于维护等特点[1]，有着广阔的应用及发展前景。可根据下达的不同命令完成相应的任务，如侦查、搜救、巡逻、排雷、反恐攻击等。

无人艇包括单桨单舵、双桨、双桨带舵、双桨双舵、单泵喷水等多种运动方式，无人艇的设计涉及艇体制造、动力推进、通信导航、运动控制等方面。

无人艇的研究设计，也带起了国内外学者一片火热的学术风潮。无人艇的运动控制技术也是倍受关注。文元桥等[2]针对航行环境和船速变化下的无人艇路径跟踪控制问题，提出了一种基于变增益内模控制方法的无人艇自适应路径跟踪控制器。利用视距（Line of Sight，LoS）制导算法设计并实现无人艇的自适应路径跟踪控制器。董早鹏等[3]针对无人艇高速航行过程中航向控制问题，提出一种基于改进细菌觅食算法优化的PD控制算法。用于优化PD控制参数，并通过半物理仿真实验验证了所提出算法的有效性、可靠性和优越性。赵东明等[4]针对常规PID控制器在无人艇航向控制系统中表现出抗干扰能力弱、控制精度低等问题，提出了一种应用模糊神经网络算法的航向控制器设计方法，提高了无人艇在复杂环境中的自适应能力。廖煜雷等[5]针对单泵喷水推进器提出了一种反步自适应滑模控制方法，证明了该定律可以保证航向跟踪系统的全局渐近稳定性。

本文研究的主要内容为双桨无人艇的直线路径跟踪问题，被控对象为一艘双桨无人水面艇。通过对艇载差分GPS和位姿传感器等艇载高精度传感器数据的解算，对两个螺旋桨的转速进行实时控制，从而实现双桨无人艇的直线路径跟踪功能。

1 系统架构与功能

无人艇控制系统分为两部分：岸基控制中心和无人艇艇载控制中心，彼此之间使用了4G的通讯方式，通过以太网进行传感器数据以及控制命令的传输，具体框架如图1所示。

其中，艇载控制中心由5个主要部分构成，第一个为岸基控制中心和艇载控制中心的通讯链路部分，艇载控制中心通过4G路由器和岸基控制中心的4G路由器之间通过以太网进行通讯，方便岸基控制中心能够向艇载控制中心发送控制指令，使得艇载控制中心能够向岸基控制中心发送艇载传感器测得的各项参数和无人艇实时的运动状态等信息，从而使得人机交互界面更加友善，方便研发调试人员对无人艇的自主功能进行调试。第二个为传感器部分，包括厘米级的差分GPS、毫米波雷达、声呐以及姿态传感器MPU6050，其中，差分GPS为无人艇提供经纬度以及速度方向的信息，毫米波雷达和声呐为无人艇提供水上及水下的障碍物距离及方位信息，MPU6050为无人艇提供姿态信息。第3个为各传感器的数据采集部分，艇载控制系统上搭载高精度传感器需要的接口较多，所以使用了本实验室自主研发的数据采集板卡，该板卡使用的主控芯片为GD32，内核是Cortex-M3的升级版，具有较快的数据处理能力和较高的稳定性。由于差分GPS的数据量较大，为了防止通讯卡顿，我们将差分GPS和其余3个传感器分两块数据采集板卡进行数据采集，分摊数据采集板卡的压力，两块数据采集板卡之间使用网口通讯的方式，使得板卡间的数据传输更加地快速准确，数据采集板卡更是连接上位机和主控DSP之间的重要枢纽。第4部分为艇载控制中心的主控部分，该部分使用的是DSP28335，该款DSP具有较强的计算能力，也具有较多的通信接口。在数据采集板卡1接收到上位机的控制指令后通过串口将控制指令发送到DSP的串口A，将接收到的传感器数据通过串口将该数据发送到DSP的串口C。在DSP接收到相应的指令后会判断控制模式，如果进入自主模式，DSP主控板卡将会对各传感器的数据进行解算，根据在DSP上编写的控制算法，最后计算出实时应该加载在电机驱动上的转速，然后通过485通信将计算出的转速传输给电机驱动模块，最后一个部分是电机驱动模块，该模块的作用是根据主控DSP发送过来的转速信息，将该信息形成相应的模拟信号，将该信号加载在电机驱动器的信号端，电机驱动器接收到信号改变电机的转速。

为了保证整个通讯系统的正常通信，本文定义了无人艇数据的传输格式，如表1所示。

岸基控制中心和艇载控制中心通过4G的方式进行通信。由数据采集板卡接收传感器原始数据然后将传感器数据打包成制定好的数据格式，将该数据发送至主控DSP板卡，DSP主控板卡对传感器数据进行计算并运行控制算法代码算出双桨无人艇左右螺旋桨转速，从而实现无人艇的直线轨迹跟踪。

其中主控板卡为TMS320F28335，是一款TI高性能TMS320C28x系列32位浮点DSP处理器。具有精度高、成本低、功耗小、性能高、外设集成度高、数据以及程序存储量大等特点。能够满足艇载控制中心的计算需求。

2 控制算法设计

由于双桨无人艇滞后性强，响应速度慢，仅根据无人艇的航向进行控制难以达到理想的直线跟踪控制效果。本文在航向控制的基础上，增加了对转向角速度的控制，提高了双桨无人艇运动控制的响应速度和控制精度，其控制结构如图2所示。

该算法可以看成是一个联调控制系统。不断的计算得到双桨无人艇的实时航向，从而得到在航行过程中无人艇的实时航向误差。由于无人艇系统惯性强、滞后性较大，本文的控制算法实际上是将控制的对象从航向偏差变为转向角速度。在有航向偏差出现时，时刻调整转向角速度的设定值，使之能够适应航行环境变化。该算法使整个无人艇运动控制系统的响应时间缩短很多，控制效果更加及时。

3 软件设计

本文研究的双桨无人艇的控制系统以DSP28335为核心，通过实时采集电机的霍尔信号计算得知螺旋桨实时转速，记录双桨无人艇的初始航向为标准值。然后根据差分GPS的经纬度数据，计算实时航向和上个时刻的航向，从而得到航向偏差的值。根据航向偏差调整内环转向角速度的设定值，根据位姿传感器的数据实时采集转向角速度的数据，然后得到内环转向角速度的偏差，根据内环转向角速度控制器的输出值，得到左右螺旋桨的差速。从而得到双桨无人艇左右螺旋桨应该加载的理想转速，将DSP的转速信号实时调整为理想转速响应的控制信号。通过闭环控制实时将左右螺旋桨的转速实时逼近理想转速。将实时航向无限逼近于一开始记录的航向标准值，从而实现双桨无人艇的直线跟踪功能。

4 结语

本文根据双桨驱动水面无人艇响应速度慢、滞后性强的特点，设计了一种适合双桨水面无人艇的运动控制系统，并设计了一种适合该控制对象的控制算法，能够有效缩短双桨无人艇的反应时间，加快响应速度，并且介绍了实现该算法的软件流程思想。

[参考文献]

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

[2]文元桥，杨吉，王亚周，等.无人艇自适应路径跟踪控制器的设计与验证[J].哈尔滨工程大学学报，2019（3）：482-488.

[3]包涛，茅云生，董早鹏，等.基于改进BFO优化的高速无人艇航向PD控制[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2018（6）：1029-1033，1038.

[4]趙东明，柳欣，周浩.水面无人艇模糊神经网络航向控制器设计[J].华中师范大学学报（自然科学版），2018（3）：329-332，346.

[5]廖煜雷，庄佳园，庞永，等.单喷泵无人滑行艇航向的反步自适应滑模控制[J].智能系统学报，2012（3）：246-250.