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水质监测无人艇控制系统设计

刘群铭;兰育飞;史颖刚

【期刊名称】《《无线互联科技》》

【年(卷),期】2019(016)015

【总页数】2页(P65-66)

【关键词】无人艇;控制系统;远程遥控;自主导航

【作者】刘群铭;兰育飞;史颖刚

【作者单位】西北农林科技大学机械与电子工程学院陕西杨凌712100

【正文语种】中文

渔业养殖环境的水体质量,对水产动物的生长发育有重大影响,关系到水产养殖业

的产量、质量和经济效益[1]。目前,渔业养殖的水体环境监测,主要靠养殖户自

己测量[2],在水面比较辽阔的湖泊,人工检测面临速度慢、过程繁琐、劳动强度

大、不能有效覆盖整体水域等难题。为解决上述难题,国内外的专家学者在水质监

测系统[3]、水面无人艇[4]、自动巡航监测船[5]等方面,开展了相关研究。本文结

合嵌入式技术和无线通信技术,设计了一种水质检测无人艇的控制系统。通过手持

终端和上位机软件,实现无人艇的远程控制。

1系统方案设计

根据无人艇和水质监测的控制要求,设计控制系统架构,如图1所示。系统由艇

载系统、手持终端、监控中心和无线通信几个部分组成。在人眼可视范围内,用户

操作手持终端,可对无人艇的动作进行无线遥控,无人艇存储并返回位置信息给手

持终端。当目标水域过远时,监控中心通过通用分组无线服务技术(General

PacketRadioService,GPRS)网络,向艇载系统发送地点坐标,实现无人艇自

主导航。

图1控制系统架构

2艇载控制系统设计

2.1艇载系统硬件方案设计

艇载系统包括嵌入式主控板、全球定位系统(GlobalPositioningSystem,GPS)

模块、电子罗盘、SD卡、电机和无线模块等。艇载系统通过无线模块,接收手持

终端发送的控制命令,通过GPRS,接收监控中心发送的位置信息。主控板通过多

种接口,控制各个模块,并根据无线模块接收的命令,发送相应的动作控制命令。

主控板控制两个直流电机,实现无人艇的前进、后退、左转、右转和速度调节等基

本运动。电机驱动采用L298N芯片,采用脉冲宽度调制(PulseWidth

Modulation,PWM)法[6]对电机进行调速控制。GPS模块用于无人艇的定位,

电子罗盘用于获取无人艇运动方向信息,SD卡用于存储无人艇的位置信息和方向

信息。艇载系统硬件方案如图2所示。

图2艇载系统硬件方案

2.2艇载系统工作流程设计

系统有两种工作方式:(1)当目标水域在人眼可视范围内,通过手持终端对无人

艇进行遥控。(2)当目标水域过远时,无人艇进行自主导航。两种方式互相独立

工作,无论采用哪种工作方式,都先要上电初始化,进行通信检查。通信检查无误

后,根据命令选择工作方式。

无人艇工作流程如图3所示。系统启动后,首先,进行通信检查,各模块完成初

始化。其次,主控板进入等待命令状态,在等待命令的过程中,读取GPS信息和

电子罗盘的方向角度,并将信息通过无线模块发送到手持终端。再次,主控板接收

到命令后,解析命令,并执行相应的操作。最后,令包括远程遥控和自主导航。与

远程遥控相比,自主导航不仅能够节省大量的人力、物力,而且具有导航范围广、

控制简便等优点。本文选择GPS与电子罗盘联合进行导航,通过对比GPS坐标,

获得无人艇需要运动的方向,利用电子罗盘调整无人艇的运动方向。

3手持终端硬件设计方案

通过手持终端对无人艇进行无线实时遥控时,用户输入的控制命令由无线模块发送

到无人艇上。本文设计手持终端硬件主要由微处理器、电源模块、无线模块、TF

卡、TFT触摸屏、五向开关和拨码盘组成,其结构如图4所示。

各个模块的功能如下:

(1)微处理器,手持终端核心,用于处理人机接口的输入,并且与无线模块和TF

卡进行通信。手持终端选择功耗低,处理性能强的STM32F103VET6作为微控制

单元(MicroControlUnit,MCU)。

图3无人艇工作流程

(2)电源模块,向各个模块提供工作电压。

(3)TF卡,用于存储监测信息。

(4)TFT触摸屏,TFT触摸屏采用TFT-LCD系统,具有高响应度、高亮度、高对

比度等优点[7]。本文采用触摸屏作为人机交互接口,触控操作简便,用户可以根

据实际需要对用户界面进行功能扩展。

(5)五向开关、拨码盘:五向开关用于手动控制无人艇的

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