CN108549396A - 一种基于stm32f429的双电机驱动无人船控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于STM32F429的双电机驱动无人船控制系统，包括控制模块、数据传输模块、舵机、电调、舵角传感器、光电编码器、GPS模块和无人船地面站；所述舵角传感器对无人船船舵的姿态及动作进行检测；所述光电编码器对动力电机的转速和转向进行检测；所述无人船地面站贮有无人船航线及巡航速度值；当无人船航行时；无人船按无人船地面站遥控指令进行工作，所述舵机对无人船船舵进行控制；所述控制模块经数据传输模块与无人船地面站相连并回送无人船当前工作数据；所述无人船地面站根据无人船当前工作数据，通过遥控无人船控制模块对无人船的动力电机和船舵进行调整，以使无人船按预设航线航行；本发明能实现复杂水文环境下的船舶无人驾驶。
Description
技术领域
本发明涉及船舶智能控制系统领域，尤其是一种基于STM32F429的双电机驱动无人船控制系统。
背景技术
由国家发改委、科技部、工信部制定的《“互联网+”人工智能三年行动实施方案》中提出了到 2018 年，打造人工智能基础资源与创新平台，其中无人船赫然在列。无人船作为未来船舶发展的方向，无人船市场正在不断增长扩大，在未来具有很大的发展潜力。船舶的运动控制主要是依靠对舵角的控制以实现船舶的航向控制，而传播的位置控制是依靠航向控制间接实现的，然而，在复杂水情状况下对无人船控制系统设计包括对电机的控制以及路径规划方面还存在一些不足，控制精度不够高不够灵活，系统鲁棒性差。综上所述，还没有能克服以上缺点以满足在复杂水情状况下的无人船系统控制需求的有效解决方法。
与陆地驾驶不同，船舶驾驶较为依赖水文环境，因此陆地无人驾驶技术并不完全适合于船舶驾驶，对于较大体积的船舶，通过实时检测水文来进行无人驾驶则更为困难，如何实现复杂水文环境下的船舶无人驾驶，是一个研究方向。
发明内容
本发明提出一种基于STM32F429的双电机驱动无人船控制系统；能实现复杂水文环境下的船舶无人驾驶。
本发明采用以下技术方案。
一种基于STM32F429的双电机驱动无人船控制系统，所述无人船以偶数个的分布于船尾两侧的动力电机为动力源；所述控制系统包括控制模块、数据传输模块、舵机、电调、舵角传感器、光电编码器、GPS模块和无人船地面站；所述电调与动力电机相连以控制其工作；所述舵角传感器对无人船船舵的姿态及动作进行检测；所述光电编码器对动力电机的转速和转向进行检测；所述GPS模块设于无人船船体处；所述控制模块与数据传输模块、舵角传感器、光电编码器和GPS模块相连；所述无人船地面站贮有无人船航线及巡航速度值；当无人船航行时；无人船按无人船地面站遥控指令进行工作，所述舵机对无人船船舵进行控制；所述控制模块经数据传输模块与无人船地面站相连并回送无人船当前工作数据；所述当前工作数据包括船舵姿态、电机转速、电机转向和无人船当前坐标；所述无人船地面站根据无人船当前工作数据，通过遥控无人船控制模块对无人船的动力电机和船舵进行调整，以使无人船按预设航线航行。
所述动力电机为无刷直流电机；动力电机数量为两个或两个以上；所述电调为双向电调。
所述无人船地面站贮有无人船航线沿途的水文数据。
所述无人船控制系统对无人船的控制包括以下方法；
A1、无人船执行航行作业时，无人船地面站通过无人船当前位置、速度信息与预设定的航线、航速进行对比，计算出无人船所需的航向角并发送给控制模块；所述控制模块根据接收的航向角数据，对船舵、动力电机进行控制，使无人船以所需的航向角航行，以精准地跟随用户设定的航线；
A2、在无人船执行航行作业中，当无人船地面站检测到无人船进入水流湍急区域或是狭窄地带，且需进行急转弯时，无人船地面站参照当地水文信息向无人船控制模块发送遥控指令；控制模块根据船舵舵角信息与航线间的偏差值对动力电机进行差速调节，使动力电机在船尾两侧产生的推力不同，以动力电机差速工作模式和船舵控制联合对船体航向进行精准控制；
A3、当无人船在狭长水域的航行作业中需回退时，若无人船无法转弯，则无人船地面站参照当地水文信息向无人船控制模块发送遥控指令，控制模块通过双向电调控制动力电机反转及电机转速差速调节，使无人船按航线回退。
所述控制模块包括STM32F429。
所述控制模块通过PWM模块输出不同占空比的PWM波控制动力电机与舵机。
所述数据传输模块基于HM-TRP无线传输，采用MAVLink协议帧和状态报告实现无人船与无人船地面站之间的通信。
所述GPS模块包括电子罗盘模块；所述控制模块与GPS模块通过输入输出接口相连以实时获取当前无人船位置信息；控制模块以卡尔曼滤波算法对无人船位置信息进行野值滤波后再上传至无人船地面站。
所述控制模块可对无人船进行自检，并把自检数据上传至无人船地面站。
当无人船地面站检查无人船自检数据确认其可正常执行作业任务后，无人船地面站才对无人船进行航行路线、巡航速度的设置。
与现有技术方案相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用差速控制与舵机控制两种办法相结合来控制无人船航向，可在狭窄的内河环境进行急转弯操作，大大减小无人船转弯半径，使得航向控制更加快速灵活，弥补了舵机对舵角控制范围有限的不足，使得无人船可以更加快速精确可靠的按照设置航线行驶，即使在舵机无法工作的状态下同样可通过差速调节航向提高了无人船控制系统的容错性。
2、本发明采用了双向电调可控制无刷电机进行反转以实现无人船的减速与倒退功能，可在内河的狭窄地带进行操作，提高了无人船的灵活性，增加了无人船的工作区域。
3、本发明增加了速度和舵角传感器可将速度与舵角信息实时反馈给控制系统，形成闭环控制系统提高系统的抗干扰性。
4、本发明在无人船地面站处的遥控端具有很好的人机界面，可有效提高人机交互方式。
本发明中，由于无人船地面站贮有航线水文数据，而且能通过网络获取更为准确的水文信息，因此能向无人船控制模块发送更为准确的遥控指令；而无人船控制模块依托舵角传感器、光电编码器和带电子罗盘的GPS模块，因此能准确地控制动力电机、舵机工作，使船的行进动作符合遥控指令需要。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的原理示意图；
图中：1-控制模块；2-数据传输模块；3-舵机；4-舵角传感器；5-电调；6-光电编码器；7-带电子罗盘模块的GPS模块；8-动力电机；9-无人船地面站。
具体实施方式
如图1所示，一种基于STM32F429的双电机驱动无人船控制系统，所述无人船以偶数个的分布于船尾两侧的动力电机8为动力源；所述控制系统包括控制模块1、数据传输模块2、舵机3、电调5、舵角传感器4、光电编码器6、GPS模块7和无人船地面站9；所述电调与动力电机相连以控制其工作；所述舵角传感器对无人船船舵的姿态及动作进行检测；所述光电编码器对动力电机的转速和转向进行检测；所述GPS模块设于无人船船体处；所述控制模块与数据传输模块、舵角传感器、光电编码器和GPS模块相连；所述无人船地面站贮有无人船航线及巡航速度值；当无人船航行时；无人船按无人船地面站遥控指令进行工作，所述舵机对无人船船舵进行控制；所述控制模块经数据传输模块与无人船地面站相连并回送无人船当前工作数据；所述当前工作数据包括船舵姿态、电机转速、电机转向和无人船当前坐标；所述无人船地面站根据无人船当前工作数据，通过遥控无人船控制模块对无人船的动力电机和船舵进行调整，以使无人船按预设航线航行。
所述动力电机为无刷直流电机；动力电机数量为两个或两个以上；所述电调为双向电调。
所述无人船地面站贮有无人船航线沿途的水文数据。
所述无人船控制系统对无人船的控制包括以下方法；
A1、无人船执行航行作业时，无人船地面站通过无人船当前位置、速度信息与预设定的航线、航速进行对比，计算出无人船所需的航向角并发送给控制模块；所述控制模块根据接收的航向角数据，对船舵、动力电机进行控制，使无人船以所需的航向角航行，以精准地跟随用户设定的航线；
A2、在无人船执行航行作业中，当无人船地面站检测到无人船进入水流湍急区域或是狭窄地带，且需进行急转弯时，无人船地面站参照当地水文信息向无人船控制模块发送遥控指令；控制模块根据船舵舵角信息与航线间的偏差值对动力电机进行差速调节，使动力电机在船尾两侧产生的推力不同，以动力电机差速工作模式和船舵控制联合对船体航向进行精准控制；
A3、当无人船在狭长水域的航行作业中需回退时，若无人船无法转弯，则无人船地面站参照当地水文信息向无人船控制模块发送遥控指令，控制模块通过双向电调控制动力电机反转及电机转速差速调节，使无人船按航线回退。
所述控制模块包括STM32F429。
所述控制模块通过PWM模块输出不同占空比的PWM波控制动力电机与舵机。
所述数据传输模块基于HM-TRP无线传输，采用MAVLink协议帧和状态报告实现无人船与无人船地面站之间的通信。
所述GPS模块包括电子罗盘模块；所述控制模块与GPS模块通过输入输出接口相连以实时获取当前无人船位置信息；控制模块以卡尔曼滤波算法对无人船位置信息进行野值滤波后再上传至无人船地面站。
所述控制模块可对无人船进行自检，并把自检数据上传至无人船地面站。
当无人船地面站检查无人船自检数据确认其可正常执行作业任务后，无人船地面站才对无人船进行航行路线、巡航速度的设置。
实施例：
本实施例中，可在无人船地面站9操作系统上打开地面站系统，点击检测按钮，地面站通过数据传输模块与船控系统无线通讯，将检测命令传输至控制模块1的STM32F429控制芯片，此时STM32F429控制芯片对无人船状态进行检查并将无人船的位置、速度、航向角、电机状态等信息回传给地面站，若显均正常，此时用户可在地面站上设置起始目的地，并手动规划路径或自动规划路径。
路径规划完成后，点确定，控制命令可通过数据传输模块2传送至STM32F429控制芯片，数据传输模块2通过串口与STM32F429控制芯片1进行数据交互。
无人船根据舵角传感器4、光电编码器6和GPS模块7所反馈的当前舵角、速度与位置信息与用户设定的航线、航速进行对比计算出无人船所需的航向角，根据航向角与速度信息STM32F429控制芯片1通过PWM模块可输出两路PWM，其中一路连接到电调5控制动力电机8的转速。另一路则连接到舵机3控制无人船的转向使无人船跟随航线航行。
在航行过程中通过舵角传感器4可实时反馈无人船舵角信息，当无人船在水流湍急水域执行任务时或者在狭窄地带进行急转弯操作时，由于舵机对转向的控制范围有限无法进行急转操作，此时舵角传感器4所反馈的舵角信息与航线的方向就会出现偏差，根据舵角的差值以及地面站下传的水文信息可以计算出两个无刷电机的转速差，STM32F429控制芯片根据转速差以及光电编码器6所反馈两个无刷电机当前的速度控制PWM的输出实现左右电机的差速控制进行无人船方向的调节，开启差速与舵机联合控制模式实现快速精准控制。
若在航行过程中无人船因进入水情复杂的狭长水域而无法对无人船进行前进操作时可以使用双向电调5进行减速与倒退操作，使得无人船脱离困境。
Claims (10)
1.一种基于STM32F429的双电机驱动无人船控制系统，其特征在于：所述无人船以偶数个的分布于船尾两侧的动力电机为动力源；所述控制系统包括控制模块、数据传输模块、舵机、电调、舵角传感器、光电编码器、GPS模块和无人船地面站；所述电调与动力电机相连以控制其工作；所述舵角传感器对无人船船舵的姿态及动作进行检测；所述光电编码器对动力电机的转速和转向进行检测；所述GPS模块设于无人船船体处；所述控制模块与数据传输模块、舵角传感器、光电编码器和GPS模块相连；所述无人船地面站贮有无人船航线及巡航速度值；当无人船航行时；无人船按无人船地面站遥控指令进行工作，所述舵机对无人船船舵进行控制；所述控制模块经数据传输模块与无人船地面站相连并回送无人船当前工作数据；所述当前工作数据包括船舵姿态、电机转速、电机转向和无人船当前坐标；所述无人船地面站根据无人船当前工作数据，通过遥控无人船控制模块对无人船的动力电机和船舵进行调整，以使无人船按预设航线航行。
2.根据权利要求1所述的一种基于STM32F429的双电机驱动无人船控制系统，其特征在于：所述动力电机为无刷直流电机；动力电机数量为两个或两个以上；所述电调为双向电调。
3.根据权利要求2所述的一种基于STM32F429的双电机驱动无人船控制系统，其特征在于：所述无人船地面站贮有无人船航线沿途的水文数据。
4.根据权利要求3所述的一种基于STM32F429的双电机驱动无人船控制系统，其特征在于：所述无人船控制系统对无人船的控制包括以下方法；
A1、无人船执行航行作业时，无人船地面站通过无人船当前位置、速度信息与预设定的航线、航速进行对比，计算出无人船所需的航向角并发送给控制模块；所述控制模块根据接收的航向角数据，对船舵、动力电机进行控制，使无人船以所需的航向角航行，以精准地跟随用户设定的航线；
A2、在无人船执行航行作业中，当无人船地面站检测到无人船进入水流湍急区域或是狭窄地带，且需进行急转弯时，无人船地面站参照当地水文信息向无人船控制模块发送遥控指令；控制模块根据船舵舵角信息与航线间的偏差值对动力电机进行差速调节，使动力电机在船尾两侧产生的推力不同，以动力电机差速工作模式和船舵控制联合对船体航向进行精准控制；
A3、当无人船在狭长水域的航行作业中需回退时，若无人船无法转弯，则无人船地面站参照当地水文信息向无人船控制模块发送遥控指令，控制模块通过双向电调控制动力电机反转及电机转速差速调节，使无人船按航线回退。
5.根据权利要求4所述的一种基于STM32F429的双电机驱动无人船控制系统，其特征在于：所述控制模块包括STM32F429。
6.根据权利要求5所述的一种基于STM32F429的双电机驱动无人船控制系统，其特征在于：所述控制模块通过PWM模块输出不同占空比的PWM波控制动力电机与舵机。
7.根据权利要求5所述的一种基于STM32F429的双电机驱动无人船控制系统，其特征在于：所述数据传输模块基于HM-TRP无线传输，采用MAVLink协议帧和状态报告实现无人船与无人船地面站之间的通信。
8.根据权利要求5所述的一种基于STM32F429的双电机驱动无人船控制系统，其特征在于：所述GPS模块包括电子罗盘模块；所述控制模块与GPS模块通过输入输出接口相连以实时获取当前无人船位置信息；控制模块以卡尔曼滤波算法对无人船位置信息进行野值滤波后再上传至无人船地面站。
9.根据权利要求5所述的一种基于STM32F429的双电机驱动无人船控制系统，其特征在于：所述控制模块可对无人船进行自检，并把自检数据上传至无人船地面站。
10.根据权利要求9所述的一种基于STM32F429的双电机驱动无人船控制系统，其特征在于：当无人船地面站检查无人船自检数据确认其可正常执行作业任务后，无人船地面站才对无人船进行航行路线、巡航速度的设置。
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