特殊环境下无人驾驶救援船设计与研究.docx

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特殊环境下无人驾驶救援船设计与研究

特殊环境下无人驾驶救援船设计与研究

摘要

随着海洋资源的不断被开发，越来越多的人工作业船只日夜工作在大海之上，并且很多未知海域也在不断地被开垦出来。

伴随而来的是越来越多的海洋事故的发生，但是在一些未知海域进行救援危险性很高，并且很多海洋事故的发生是在被严重污染的海域，在这些海域进行救援对救援人员身体伤害很大。

所以迫切需要一种无人驾驶的救援船,来弥补这方面的不足，提高救援效率，减少对救援人员的二次伤害。

本课题研究的无人驾驶救援船主要进行救援打捞任务，是在常规船的基础上安装摄像头，在网络覆盖的范围内进行无线实时图像传输，终端显示器接受能够让操作人员时刻了解救援海域的状况。

常规的救援打捞设施改装成由单片机控制舵机来实现，单片控制舵机的角度的偏转来控制操作手臂的伸缩，进而实现救援打捞任务。

本课题的研究不仅能够减少对人工作业人员的身体伤害，而且能够实现一人操作多船，大幅度的提高救援效率。

关键词：

无人驾驶，单片机，无线传输，模块化设计

DesignandResearchofSpecialEnvironmentofUnmannedRescueShip

Abstract

Astheoceanresourcesbycontinualdevelopment,moreandmoreartificialoperationboatsworkeddayandnightonthesea,andmanyunknownwatershasbeencleared.WhichisassociatedwithagrowingnumberofMarineaccidents,butinsomeunknownwatershaveagreaterriskforrescue,andmanyMarineaccidentsareinbadlypollutedwaters.Inthesewatersforreliefofrescuersphysicalharmisverybig.Sotheyneedanunmannedrescueship,tomakeupforthisdeficiency,improveaidefficiencyandreduceharmtorescuers.

Thistopicresearchtheunmannedshipmainlytorescuethesalvagetask,isonthebasisofconventionalshiptoinstallcameras,withinthescopeofthenetworkcoverageforwirelessreal-timeimagetransmission,terminaldisplayaccepttoletoperatorsalwaysunderstandrescuethestatusofthesea.Conventionalrescuefishingfacilitiesintoimplementationbysingle-chipmicrocomputercontrolsteeringgear,singlechipcontrolsteeringAngleofdeflectiontocontroltheoperationoftelescopicarm,andthenimplementtherescuesalvagetask.

Thistopicresearchnotonlycanreducethephysicalinjuryformanualworkers,butalsocanrealizeoneoperatormoreships,greatlyimprovetheefficiencyofrescue.

Keywords:

Unmanned;Micro-controller;Wireless;Transmission;Modulardesign

目录

摘要I

AbstractII

目录III

第一章绪论1

1.1引言1

1.2国内外研究现状1

1.3研究目的和意义3

第二章无人驾驶救援船各部分的组成结构及工作原理4

2.1动力系统的简介及工作原理4

2.2实时视频传输系统的简介及工作原理4

2.3基于51单片机的舵机控制系统的组成与工作原理6

第三章无人驾驶救援船硬件的设计9

3.1元器件的选择及简介9

3.2救援系统的各个模块及整体框架设计

第四章无人驾驶救援船各系统功能的实现13

4.1软件及基本电路设计13

4.2调试过程及功能展示15

第五章结论19

参考文献20

谢辞21

附录22

第一章绪论

1.1引言

随着环境的污染，地球的土地资源日益消耗殆尽,海洋正逐步成为人类赖以生存的空间。

海洋的地位不断提高,使得海洋资源和海洋岛屿交织在一起,正在形成为以海洋岛屿为中心的战略模式。

中国是一个海洋大国有着丰富的海洋资源,包括299.7平方公里的海洋面积,32000公里长的海岸线,还有200海里的专属海洋经济区面积,大陆架区域面积是世界排名第五。

"中国是一个海洋大国,然而却不是一个海上强国”，按照有关数据分析,长度的比率是否按照土地面积和海岸线,中国仅排在世界第94位。

如果按照国家可以管辖的海域和国家的陆地面积之比,中国只有0.3,但是世界沿海国家平均值却达到了0.94,差距非常明显。

中国的土地面积只有日本的十分之一,但是朝鲜达到2.17,越南和菲律宾分别为2.19,是6.31。

如果平均海域可以用来计算平均每个陆地面积上的海域面积,世界上沿海国家平均水平达到了0.026平方公里,而我国甚至连十分之一的水平都没有达到,相邻的沿海国家相对平均最低的朝鲜也在中国的十倍以上[1]。

表1.1中国与邻国在海洋方面各种实力的对比

海洋面积/k2m人均海洋面积/k2m海岸线长度/kmCS/MS

中国299.7万0.00213.2万0.3

日本31万0.0343.38万11

朝鲜6.8万0.0180.23万2.17

越南11.9万0.0251.12万2.19

菲律宾28.75万0.0361.85万6.31

我国的海域从北到南自古以来就有很多摩擦和争端，北面与俄罗斯在珍宝岛有争议（现在已解决）,东面与日本在东海的钓鱼岛和大陆架油田有很多争端,南面跟越南、菲律宾在南海岛屿的摩擦更是时刻发生中[2]。

从南到北各种争端的不断发生，说明了我国海军实力的弱小，由此可见提高我国海军实力,提升海洋开发的科技水平，对于减少或者解决海洋争端有着非常重大的战略意义。

当今世界科学技术正朝着多元化发展，譬如多系统化、无人化以及智能化等方面。

在国外尤其是科技力量比较领先的欧美国家近几年研究出了大量的无人化操纵平台和无人化智能设备，譬如无人机、水下智能机器人以及水面无人船等。

新中国成立以来，政府对这些先进科学技术的发展与研究非常重视,并且对该方面的研究工作投入了非常大的人力物力财力,并且已经取得了一定的发展成果。

但是同国际先进水平相比在很多方面还是有很大的差距,尤其在水面无人船方面的研究更是刚开始投入研究,关于该方面的诸多问题一直处于未解决状态。

当今世界的海洋战略发展格局中,水面智能无人船正在发挥着越来越重要的作用。

经过多年的研究如今水面智能无人船集智能化控制、远程视频通信、探测侦查以及排除海上障碍等多功能于一体,在一些复杂海域或者高危险的海洋作业环境中该船在执行任务时所发挥的优越性更是尤为突出。

当今全球的沿海国家都已经意识到水面智能无人船在加快海洋发展和提升海军作战能力中的重要战略地位。

为了追赶上国际先进技术发展的水平,为了提升海军的作战能力和应对经济发展的迫切需要,研制出我国自己的水面智能无人作战船和水面智能无人救援船,具有很强的历史性意义和巨大的战略意义。

1.2国内外研究现状

由于沿海港口城市安全、陆地各种资源的日益枯竭、海洋争端等问题的不断发生和升级恶化，让世界沿海各国不得不重视加快海洋的发展以及自身海军实力的提高，水面智能无人船作为一种高科技的的现代化产物已被世界沿海大国列入了其发展研究计划当中。

虽然水面智能无人船的发展相对较晚，但是其发展速度较快，到如今已有很多种型号的水面智能无人船开始应用于军事以及民用领域。

2008年10月，英国某个大学的科学家设计出了一艘依靠自动导航的水面无人智能船并成功进行了穿越大西洋的远航试验。

这次的精彩亮相使它成为世界上第一艘无人驾驶、不依靠风力推进的成功跨越大洋的船只[3]。

美国海军曾在2001年正式实施了建造濒海战斗舰（LittoralCombatShip）的计划。

针对海上作战系统中战斗任务的需要，首次提出了基于智能化的水面无人船、水下无人潜艇和无人侦查机三者来完成对整个作战体系的构建，并具备完成排雷、反潜、情报侦察，远程火力支援等特种作战任务的能力[4]。

比较具有代表性的水面无人智能船为美国研究的"斯巴达侦察兵”（SpartanScout）。

早在2002年它就已经就被列项研究，目前已经成功通过了各种实验试航。

该船其各方面技术水平都处于世界领先的位置，实现了真正意义上的无人控制与智能自主的航行[5]。

同时它也配备了不同的任务模块，能根据真实战场的需求灵活自主的切换不同的任务模式，由于其在阿拉伯湾等地区的战争任务中表现出了非常突出的作战能力，已被广泛部署到了美军的各大舰队里。

在2006年10月美国政府又批准了建造两条该型无人作战船的计划。

由于无人船突出的战场能力和其所代表高科技综合实力的象征,世界各国于21世纪初开始在无人船领域的研究展开了角逐。

在受到了美国"斯巴达侦察兵”的启发与影响下，2003年,以色列某武器设计制造公司向其国防部交付了首艘名为"保护者”（Protector）的水面高速无人作战船,它不但继承了"斯巴达侦察兵”各项优点,而且还在船体隐身性的方面做了很大的研究。

由于其优越的作战的性能,该船在国际军火市场上曾受到各国军火商一度的青睐。

图1.1保护者

英国国防科技实验室也不甘心落后于其他国家,在看到美国"斯巴达侦察兵”成功的例子后,便开始努力研发自己的无人作战船。

在与美国多次合作的情况下,加上本身的科技发展水平比较高,于2002年推出名为"芬里厄”（Fenrir）的无人作战船,并将部署给了英国皇家海军的各大舰队,主要用该船来取代传统的气垫船来执行海上危险性较高的作战任务。

德国更是别具一格,如果说美国、英国和以色列是在无人船的科技水平上做了很大努力，那么德国则是在注重无人船协同作战的能力上进行了很大的研究,其研发的无人作战船可以实现四艘小船在两人的控制下来协同完成作战任务的功能，大幅度的提高了作战效率。

2005年11月日本也对外宣布其研制第一代无人作战船代号"OT-91”,该船在外形上采用和"斯巴达侦察兵”类似的设计方法，总长度为4.4米，日本海上防卫厅对该船功能的定位为：

海上巡逻、侦查和探测。

法国虽然没有属于自己的无人船产品,但是在与美国联合研制"斯巴达侦察兵”无人船中的项目中也是受益匪浅。

而且作为在联合研制中的补偿,法国可以使用并在海军中部署"斯巴达侦察兵”系列的作战船。

并且早在2005年底针对"斯巴达侦察兵”，法国就完成了其最后的海上试航,并正式部署在法国海军中。

从国外先进无人作战船的发展实例中可以发现,如今的无人船正朝着智能化、高速化、多功能化等方向发展。

而且在未来战争中,智能高速无人作战船将扮演着越来越重要的角色,可以在很多情况下完成人类无法完成的作战任务,从而改变人们对未来海洋战争认识。

因此可以很肯定的说无人船是顺应时代发展的高科技产物,所以我们国家也应对这方面的研究给予足够的重视,从而紧跟世界发展的步伐。

相比于当前国外无人船的发展,我国的无人船技术要落后的多,尤其是在很多重要的技术领域几乎是零,即使是在比较成熟的技术方面仍与国际先进水平之间存在较大的差距。

根据相关的报道了解,目前在中国只有为数不多的几家科研机构做过无人船方面的研究,其中以哈尔滨工程大学和沈阳新光公司最具有代表性。

我国第一艘真正意义上的水面无人智能船是由中国航天集团旗下的沈阳新光公司所研制的"天象一号”,其最初目的只是为当时2008年北京奥运会的奥帆项目的比赛提供气象保障服务,这也是我国第一次将无人船应用于气象探测工作。

据相关资料了解,天象一号在其船体设计上采用了一种自主稳定功能的技术,可以在恶劣的海况环境中稳定的进行工作,并且其动力系统也做了增强型的改进,持续航行作业时间可达20天以上。

天象一号的出现填补了我国水面无人智能船领域的空白,为今后进一步研制具有高性能的智能无人船打下了坚实基的基础。

图1.2天象一号

虽然世界海洋以及科技大国在水面智能无人船方面有了很大的发展，特别是欧美国家在无人作战船的方面的研制已经很成熟，投入了实际应用并且效果很好。

中国在无人船方面经过这几年的努力也有了很大的发展，但是也只是局限于气象探测等任务。

可以说当今世界对于水面无人救援船的研究还有很大的空白，研究无人驾驶救援船对于在水上实行救援任务具有很大的意义。

1.3研究目的和意义

随着科学的发展，技术的进步，救援船的设计与研发也越来越成熟。

在海洋搜救捕捞及人工作业中发挥越来越重要的作用。

但是如今随着工业的发展，特别是海洋工业的发展，海洋环境也在不断的恶化，在一些环境污染较严重的海域进行搜救捕捞作业时对搜救人员的身体伤害很大，不适于搜救人员长时间作业。

本课题研究的无人驾驶救援船能够解决上述问题，它集智能控制，远程通信，侦测探查，搜救捕捞，治理污染水源等多功能于一身。

在一些复杂和危险的环境中其优越性尤为突出。

不仅能提高作业效率让救援船长时间作业，更重要的是能够避免特殊环境下对人工作业人员的伤害。

本课题的研究具有非常大的实用价值，能够实现一人操纵多船，提高人工作业效率，而且能在一定程度上治理污染水源，有一定的军事应用价值。

在当今的海洋战略格局中无人船扮演的较色越来越重要。

无人驾驶救援船的各部分组成结构及工作原理

2.1动力系统的简介及工作原理

本课题船模的元器件包括接收机，舵机，无刷电机，电池，螺旋桨。

如下图所示为接收机，舵机，无刷电机，电池以及螺旋桨。

图2.1：

接收机图2.2：

舵机

图2.3:

无刷电机图2.4：

电池

图2.5：

螺旋桨

电池，电机和舵机都接在接收机上，通过遥控器发出控制信号，接收机接收信号进而操纵螺旋桨的旋转的快慢，还有方向的转动，方向的转动通过舵机舵角偏移来实现。

如图所示为常规航模以及遥控器。

图2.6：

船模图2.7：

遥控器

2.2实时视频传输系统的简介及工作原理

无线视频传输就是指不用布置线路（线缆）利用无线电波来传输视频、声音、数据等信号的实时监控系统。

无线图像传输即视频实时传输主要有两个概念，一是移动中传输，即移动通信，二是宽带传输，即宽带通信。

本文的视频传输系统是针对有线网络环境的,下图为视频传输的流程图

图2.8实时视频传输系统的流程图

摄像头的工作原理大致为：

摄像头采集视频信息，通过arm9将摄像头采集的信息进行处理，并通过网络模块将信息发送到上位机上，并实时的显示出来。

2.3基于51单片机的舵机控制系统简介及工作原理

舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持良好稳定性的控制系统。

目前在高档遥控玩具，如航模，包括飞机模型，潜艇模型；遥控机器人中已经得到普遍应用。

舵机是一种俗称，其实它是一种伺服马达。

舵机由舵盘,位置反馈电位器，减速齿轮组，直流电机以及控制电路组成。

减速齿轮组由直流电机驱动，其输出转轴带动一个具有线性比例特性的位置反馈电位器作为位置检测。

控制电路根据电位器的反馈电压，与外部输入控制脉冲进行比较，产生纠正脉冲，控制并驱动直流电机正转或反转，使减速齿轮输出的位置与期望值相匹配，从而达到精确控制转向角度的目的。

方案一：

可以使用FPGA、模拟电路、单片机来产生舵机的控制信号，但FPGA成本高且电路比较复杂对于脉宽调制信号的脉宽变换，常用的一种方法是采用调制信号获取有源滤波后的直流电压，但是需要50Hz（周期是20ms）的信号，这对运放器件性能的选择有较高要求，从电路体积和功耗考虑也不易采用5mV以上的控制电压，因为较大幅度电压的变化容易引起舵机的抖动，而对于机载的测控系统而言，电源和其他元器件的信号噪声都远大于5mV，所以滤波电路的精度难以达到舵机的控制精度要求[6]。

方案二：

用单片机作为舵机的控制单元，使PWM信号的脉冲宽度实现微秒级的变化，从而提高舵机的转角精度。

单片机完成控制算法，再将计算结果转化为PWM信号输出到舵机，由于单片机系统本身就是一个数字系统，其控制信号的变化完全依靠硬件属性，所以受外界干扰较小，整个系统工作稳定可靠。

综上考虑方案二比较可行[7]。

舵机只有3根线包括电压线，地线和脉宽控制信号线，舵机与单片机的接口只需要一条线,PB0为单片机定时器输出管脚，用单片机的定时器产生20ms的脉冲频率控制舵机，通过改变脉冲的占空比来控制输出角度的变化。

由于舵机转动时需要消耗比较大的电流，所以舵机的电源最好单独提供，不要和单片机使用同一路电源。

如果系统中需要控制两个或多个舵机的准确转动，可以同时用单片机和计数器运行脉冲计数产生PWM信号。

脉冲计数可以使用51单片机的内部计数器来实现，但是从软件系统的稳定性和程序结构的合理性来看，适合使用外部的计数器，还能够提高CPU的工作效率[8]。

图2.9单片机和舵机的连接图

第三章无人驾驶救援船的系统设计

3.1元器件的选择及简介

舵机最早出现在航模运动当中。

在航空模型中，飞行机的飞行姿态是通过调节发动机和各个控制舵面来实现的。

举个简单的例子，比如四通飞机，飞机上有四个地方需要控制：

1.发动机进气量，来控制发动机的拉力（推力）用来调节飞机速度的快慢；2.副翼舵面（安装在飞机机翼后缘），用来控制飞机的横滚运动从而实现飞机的左右平衡；3.水平尾舵面（安装在飞机的尾翼后缘），用来控制飞机的俯仰角从而实现飞机的爬升及下降；4.垂直尾舵面（安装在飞机的尾翼上部），用来控制飞机的偏航角从而实现飞机方向的偏转。

遥控器有四个通道，分别对应四个舵机，而舵机又通过连杆等传动元件来带动舵面的转动，从而改变飞机的运动状态。

舵机因此得名：

控制舵面的伺服电机。

不仅在航模飞机中，在其余的模型运动中都可以看到它的广泛应用：

船模上用来控制尾舵，车模中用来转向等。

由此可见，凡是需要操作性动作时都可以用舵机来实现[9]。

一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成，舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计5k、直流电机、控制电路板等。

其外形和内部结构图如下图所示。

图3.1舵机的外形及内部结构图

工作原理：

控制电路板接收来自信号线的控制信号，从而控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动到输出舵盘。

舵机的输出转轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行位置反馈，然后控制电路板根据所在位置控制电机的转动方向和速度，从而达到规定目标。

图3.2舵机工作原理

舵机的参数如下：

转速：

由舵机无负载的情况下转过60°角所需时间来计算，常见舵机的速度一般在0.11S/60°-0.21S/60°之间，单位是秒/时间。

扭矩：

可以理解为以舵盘上距舵机轴中心的水平距离1CM处，舵机能够带动的物体的重量，单位是KG·CM。

电压：

小型舵机的工作电压一般为4.8V-6V。

重量：

以克为单位，微型舵机9g，中型45g，100g不等[10]。

舵机的脉冲控制周期是20ms，脉冲宽度为0.5ms-2.5ms，对应-90°~+90°的位置，以180°伺服为例

图3.3舵机输出转角与输入信号脉冲宽度的关系

51单片机是对所有兼容Intel8031指令系统单片机的统称。

该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，随着Flashrom技术的不断进步，8031单片机已经取得了长足的发展，已经成为应用最为广泛的8位单片机之一，其最具代表性的型号是ATMEL公司生产的AT89系列，广泛应用于工业测试系统当中。

很多科技公司都有51系列的兼容机型推出，在今后很长的一段时间内将有大量市场被占有。

51单片机是基础入门的一种单片机，并且是应用最为广泛的一种。

当前常用的51系列单片机主要产品有：

Intel公司的：

80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；ATMEL公司的：

89C51、89C52、89C2051等；*Philips、华邦、Dallas、Siemens等公司的很多产品。

国产宏晶STC单片机以其低功耗、廉价、稳定性好等多种优越性能，占据着国内51单片机大量市场。

图3.451单片机的外部引脚图及外形图

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0口能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0口外部必须拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写"1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址"1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入"1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故[11]。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，P3口管脚的备选功能如下表所示：

P3.0RXD（串行输入口）P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.1TXD（串行输出口）P3.5