基于arm和dsp處理器的無人船船載控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及船只控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于ARM和DSP處理器的無人船船載控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]無人船是一種新型的水上監(jiān)測平臺，其以河川、湖泊、水庫、海岸及港灣等水域為對象，以小型船舶為載體，集成定位導(dǎo)航、通訊與控制設(shè)備，可搭載多種監(jiān)測傳感器，以遙控/自主的工作方式完成特定水文和水環(huán)境要素監(jiān)測。由于無人船具有布設(shè)靈活、成本經(jīng)濟、自動測量等特點，在水文要素觀測、水環(huán)境監(jiān)測、水庫及河道泥沙淤積量評估、水利工程選址和水下考古等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]早期的船載控制系統(tǒng)主要搭建在普通的工業(yè)單片機上。近年來，為了增強控制系統(tǒng)的可擴展性和嵌入式軟件的可移植性，出現(xiàn)了綜合ARM處理器和工業(yè)計算機的控制系統(tǒng)，如《一種無舵自動走航的無人船》申請公布號為CN103303452A的發(fā)明專利中，ARM處理器被用來處理動力、電源和姿態(tài)信息，而工控機用來處理定位和測深單元信息，通訊信息由ARM處理器和工控機共同處理。未來隨著無人船應(yīng)用領(lǐng)域的逐漸擴展，在滿足高精度定位與導(dǎo)航，精確靈活的船只控制、準(zhǔn)確的姿態(tài)控制等功能要求的同時，也對無人船船只體積、控制系統(tǒng)功耗和專用性等方面提出更高的要求。不同傳感器的集成特性要求越來越高，單位時間數(shù)據(jù)獲取量的增加會給遠程數(shù)據(jù)傳輸帶來很大壓力。此外，無人船相關(guān)控制算法的改進和先進控制算法的提出，都需要無人船船載控制系統(tǒng)具備較高的數(shù)據(jù)處理和分析能力。當(dāng)前的控制系統(tǒng)在低功耗、系統(tǒng)集成度以及數(shù)據(jù)處理能力這些方面功能還較弱，這就要求設(shè)計開發(fā)出兼容性和可擴展性更好、系統(tǒng)集成度更高、數(shù)據(jù)處理能力更強的船載控制系統(tǒng)。
[0004]由于無人船控制系統(tǒng)涉及子系統(tǒng)或設(shè)備較多，已有的控制系統(tǒng)兼容性和擴展性較差、系統(tǒng)集成度低，尤其是導(dǎo)航定位系統(tǒng)和其他傳感器數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，采用工控機大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，而且工控機體積比較大、功耗大、移動性差，一般無法實現(xiàn)遠程維護和升級。另外現(xiàn)有控制系統(tǒng)運算速度低，導(dǎo)致無人船控制算法實現(xiàn)效果不好或無法應(yīng)用復(fù)雜控制算法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，利用嵌入式Linux操作系統(tǒng)的優(yōu)勢，提高控制系統(tǒng)的兼容性和可擴展性、以及遠程維護和升級能力，利用嵌入式系統(tǒng)能耗低的特點，提高無人船的續(xù)航能力，利用DSP處理器強大的數(shù)字信號處理能力，提高對于控制算法的處理能力，實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。
[0006]為實現(xiàn)這一目的，本發(fā)明提出了一種基于ARM和DSP處理器的無人船船載控制系統(tǒng)，包括:DSP處理器、ARM處理器、自主導(dǎo)航子系統(tǒng)、測深子系統(tǒng)、姿態(tài)控制子系統(tǒng)、電池電壓檢測子系統(tǒng)、毫米波雷達防撞子系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)存儲子系統(tǒng)，
[0007]其中，所述自主導(dǎo)航子系統(tǒng)，用于預(yù)先給無人船輸入航線，所述自主導(dǎo)航子系統(tǒng)包括:GPS模塊與無線電臺；
[0008]所述測深子系統(tǒng)，用于通過回聲測高儀，將采集到的水下測深數(shù)據(jù)傳送至所述ARM處理器，所述ARM處理器通過所述無線電臺將采集到的所述水下測深數(shù)據(jù)傳送至地面監(jiān)控系統(tǒng)；
[0009]所述姿態(tài)控制子系統(tǒng)，將采集到的陀螺儀與加速度計傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)卡爾曼濾波對傳感器進行補償以及信息融合后，獲得姿態(tài)角度信號，其中，所述角度信號通過PID控制器運算，輸出PWM信號對舵機進行控制操作；
[0010]所述電池電壓檢測子系統(tǒng)，用于檢測所述無人船的電池電壓信號，并通過簡單電壓對比法對電池剩余電量進行計算，判斷無人船續(xù)航能力；
[0011]所述毫米波雷達防撞子系統(tǒng)，通過線性頻率調(diào)制連續(xù)波雷達測量所述無人船與前方目標(biāo)物之間距離與相對速度，并通過所述DSP處理器對采集的實時信息進行分析，判斷當(dāng)前所述無人船航行安全狀態(tài)，其中，所述毫米波雷達防撞子系統(tǒng)包括:所述DSP處理器、IVS-465雙通道雷達傳感器、鎖相環(huán)電路以及數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換芯片DAC7724。
[0012]具體地，所述GPS模塊與所述ARM處理器進行數(shù)據(jù)通信。
[0013]具體地，所述無線電臺將所述無人船的當(dāng)前位置、速度和狀態(tài)等參數(shù)傳送至所述地面監(jiān)控系統(tǒng)。
[0014]具體地，所述ARM處理器通過所述回聲測高儀采集到的水下測深數(shù)據(jù)同步記錄到SD卡上。
[0015]具體地，所述回聲測高儀與所述ARM處理器進行數(shù)據(jù)通信。
[0016]具體地，所述系統(tǒng)與所述地面監(jiān)控系統(tǒng)之間的無線通信采用通用模塊并配置高增益天線，其中，所述模塊為Xtend OEM RF Module。
[0017]具體地，所述系統(tǒng)與所述地面監(jiān)控系統(tǒng)分別安裝一個無線通信模塊，其中，所述系統(tǒng)Xtend無線通信模塊與所述ARM處理器進行數(shù)據(jù)通信，所述地面監(jiān)控系統(tǒng)與PC機進行通?目。
[0018]具體地，所述系統(tǒng)還包括電機和舵機控制單元，其中，所述電機控制單元控制電機，用于作為所述無人船前進主動力，所述舵機控制單元控制所述無人船方向。
[0019]進一步地，所述系統(tǒng)還包括:EEPR0M芯片，用于提供512Kbits內(nèi)存。
[0020]本發(fā)明公開的一種基于ARM和DSP處理器的無人船船載控制系統(tǒng)，綜合了 ARM和DSP處理器的優(yōu)勢，控制系統(tǒng)集成度高；充分利用嵌入式Linux操作系統(tǒng)高開放性、高運行效率、低能耗、跨平臺和性能穩(wěn)定等優(yōu)勢，提高了控制系統(tǒng)的兼容性和可擴展性，以及遠程維護和升級的能力；DSP處理器的使用，大大提高了系統(tǒng)的數(shù)字信號處理能力，從而能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制算法。
【附圖說明】
[0021]通過參考附圖會更加清楚的理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點，附圖是示意性的而不應(yīng)理解為對本發(fā)明進行任何限制，在附圖中:
[0022]圖1示出了本發(fā)明實施例中的一種基于ARM和DSP處理器的無人船船載控制系統(tǒng)的示意圖。
【具體實施方式】
[0023]本發(fā)明以用于水下地形探測的無人船為例，提供一種基于ARM和DSP處理器的無人船船載控制系統(tǒng)。該無人船具有定位導(dǎo)航、數(shù)字探測、自主航行、自動避碰、姿態(tài)感知和遠程通信等功能。下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細描述。
[0024]如圖1所示，本發(fā)明提供了一種基于ARM和DSP處理器的無人船船載控制系統(tǒng)的示意圖。
[0025]具體地，一種基于ARM和DSP處理器的無人船船載控制系統(tǒng)，包括:DSP處理器、ARM處理器、自主導(dǎo)航子系統(tǒng)、測深子系統(tǒng)、姿態(tài)控制子系統(tǒng)、電池電壓檢測子系統(tǒng)、毫米波雷達防撞子系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)存儲子系統(tǒng)，其中，無人船船載系統(tǒng)嵌入式開發(fā)平臺擬采用基于ARM926內(nèi)核的ARM芯片和TI公司的DSP芯片為處理器核心，其中ARM芯片功耗低、資源豐富，最大主頻達到400MHz，采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)；DSP芯片帶浮點運算，適合大規(guī)模的數(shù)字信號處理，尤其適合做電機控制和姿態(tài)控制算法；其中ARM芯片和DSP芯片之間通過雙口 RAM芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。
[0026]進一步地，自主導(dǎo)航子系統(tǒng)用于預(yù)先給無人船輸入航線。在航行過程中GPS模塊給出無人船當(dāng)前的位置和速度，再由自主導(dǎo)航子系統(tǒng)計算出無人船和理論航線的偏差，結(jié)合航速計算控制，使無人船按預(yù)定航線航行，無人船上的無線電臺可以把無人船的當(dāng)前位置、速度、和狀態(tài)等參數(shù)傳遞到地面監(jiān)控系統(tǒng)。這些參數(shù)經(jīng)過地面監(jiān)控系統(tǒng)處理，可以通過多種形式顯示無人船當(dāng)前的狀態(tài)、軌跡等一些重要信息，借助地面監(jiān)控系統(tǒng)，地面站還可以通過無線電遙控手段對無人船進行輔助導(dǎo)航。
[0027]更進一步地，自主導(dǎo)航子系統(tǒng)選用北斗/GPS雙系統(tǒng)導(dǎo)航/授時模塊，且自主導(dǎo)航子系統(tǒng)包括:GPS模塊與無線電臺，其中，GPS模塊通過LVTTL電平的UART數(shù)據(jù)通信接口與ARM處理器進行數(shù)據(jù)通信，兼容GPS(Ll)、北斗(BI)兩種定位系統(tǒng)，其中，數(shù)據(jù)更新率為1Hz，定位精度3m，速度精度0.lm/s。
[0028]測深子系統(tǒng)通過回聲測高儀，將采集到的