基于DSP和GPRS的无人船运动控制系统设计.pdf

基于DSP和GPRS的无人船运动控制系统设计.pdf

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学校代码：

10075分类号：

学号：

20131275工学硕士学位论文基于DSP和GPRS的无人船运动控制系统设计学位申请人：

李瑞指导教师：

赵晓军教授学位类别：

工学硕士学科专业：

检测技术与自动化装置授予单位：

河北大学答辩日期：

二一六年六月万方数据ClassifiedIndex：

CODE：

10075U.D.C：

NO：

20131275ADissertationfortheDegreeofM.EngineeringDesignofunmannedshipmotioncontrolsystembasedonDSPandGPRSCandidate:

LiRuiSupervisor:

Prof.ZhaoXiaojunAcademicDegreeAppliedfor:

MasterofScienceinEngineeringSpecialty:

DetectionTechnologyandAutomaticEquipmentUniversity:

HebeiUniversityDateofOralExamination:

June，2016万方数据万方数据万方数据摘要I摘摘要要对于白洋淀湿地生态系统定位研究站的建设，以往定位研究站都有其局限性，覆盖范围有限，不能按照人们的意愿监测湿地生态系统某些地点环境情况，而以往移动监测平台采用ZigBee组网技术对于信息传输又有很大的局限性。

人们急需一种能够实现远距离信息传输，而且能够进行半自主航行的水上无人船，来进行湿地的水温水质、环境监测等专业数据采集与通讯传输，作为固定站点动态监测的补充，为白洋淀湿地生态系统调度与运行管理提供更加可靠的依据，针对该情况本课题进行了基于DSP和GPRS的无人船运动控制系统设计。

本设计无人船采用高集成度和高可靠性的TMS320F2812DSP芯片为主控板核心芯片，集成了北斗导航定位技术与超声波智能避障技术，半自主水中航行技术和GPRS网络无线通讯技术等，携带能源，依靠自身的自治能力来管理控制自己，实现船体在湿地水域的信息传输，智能避障和半自主航行功能。

其中无人船硬件方面：

设计了集成有GPRS模块的以TMS320F2812DSP为核心处理器的主控板，设计了以UM220一IIIN北斗卫星导航模块为核心的北斗导航模块电路和以HMC5883L模块为核心的电子罗盘模块电路，添加了超声波传感器。

软件方面：

为各硬件设备编写程序实现其相应功能，利用算法实现了超声波自动避障功能，通过无人船与终点区域中心坐标位置关系的计算并进行船体行驶方向调整实现了无人船半自主航行控制。

该无人船能够有效的弥补监测漏洞，能够在白洋淀多处水域半自主航行，监测湿地生态系统不同水域环境情况，对固定湿地监测站点进行补充，从而节省大量人力和财力，通过GPRS无线网络将无人船与上位机实现远距离无线连接，便于人们按照自己的意愿远程监测白洋淀湿地水域环境信息，为白洋淀湿地生态系统数据库提供信息资源。

关键字无人船GPRS无线网络TMS320F2812DSP智能避障万方数据AbstractIIAbstractFortheconstructionofBaiyangdianWetlandEcosystemLocationResearchStation，researchstationinthepasthavelimitations,includinglimitedcoverageandcannotmonitorenvironmentalconditionsofwetlandecosystemsinaccordancewiththewishesofthepeople.Moreover,theconventionalmobilemonitoringplatformusingZigBeenetworkingtechnologyforthetransmissionofinformationalsohavesignificantlimitations.Anautomaticallynavigateunmannedpatrolboatoflong-distanceinformationtransformationisurgentlyneededforprofessionaldataacquisitionandcommunicationtransmissionoftemperatureandqualityofwetlandsandenvironmentalmonitoring.Asasupplementaryofdynamicmonitoringoffixedsite,unmannedpatrolboatprovideamorereliablebasisforBaiyangdianwetlandecosystemsschedulingandoperationmanagement.thepresentproblem.Inthispaper,unmannedpatrolboatmotioncontrolsystemswasdesignedonthebasisofDSPandGPRS.Inthisdesign,wechosedhighintegrationandhighreliabilityTMS320F2812DSPchipasthecoreprocessor.Unmannedpatrolboatcombinedsemi-automaticnavigationcontroltechnology,BeiDouNavigationSatelliteSystem,ultrasonicintelligentobstacleavoidancetechnologyandGPRSnetworkwirelesscommunicationstechnology,andhavemanyfeatures,includingcarryingenergy,navigatingsemi-automatically,achievinginformationtransmissioninwetlandwaters.Intermsofhardware:

UnmannedpatrolboatcanachieveinteractivecommunicationwiththeTMS320F2812DSPhostcomputerviaGPRSwirelessnetwork;thecircuitincludeUM220-IIINBeiDouNavigationmodule,electroniccompassmoduleofHMC5883Landultrasonicsensor.Intermsofsoftware:

writingprogramsforallhardwaredevicestoachievetheirrespectivefunctions,usingthealgorithmtorealizeautomaticavoid-obstaclefunctionbyultrasonic,adjustingthedirectionoftravelbycalculatingtherelationshipofunmannedpatrolboatspositionandthefinalpositionfor.Theboatrealizedthecontrolofsemi-autonomousnavigation.Thistechnologycanmakeupforvulnerabilitiesofmonitoringandachievesemi-autonomousnavigationindifferentwatersofBaiyangdian.Asasupplementaryof万方数据AbstractIIIdynamicmonitoringoffixedsite,thistechnologyislabor-savingandeconomical,peoplecanmonitortheBaiyangdianwetlandwaterenvironmentastheywishbyGPRSwirelessnetworktoprovideinformationresourcesfortheBaiyangdianwetlandecosystemdatabase.KeywordsUnmannedshipGPRSwirelessnetworkTMS320F2812DSPIntelligentobstacleavoidance万方数据目录IV目录第1章绪论11.1研究的背景11.2研究意义21.3国内外研究现状21.4工作安排3第2章无人船系统设计方案42.1总体设计方案42.2各功能部分设计方案42.2.1远程信息传输设计方案52.2.2运动信息采集系统设计方案52.2.3运动控制部分设计方案62.2.4供电系统设计方案72.3上位机7第3章无人船控制系统各部分设计93.1远程信息传输系统设计93.1.1远程信息传输网络比较93.1.2GPRS功能实现103.2运动数据采集系统123.2.1定位数据采集系统133.2.2方位运动数据采集系统153.3运动控制系统设计163.3.1控制核心设计163.3.2电机驱动电路设计173.3.3超声波避障设计203.3.4直线型路径半自主航行控制设计243.3.5偏转角度的计算27万方数据目录V3.3.6曲线型路径半自主航行控制设计303.3.7无人船与上位机之间的通信协议313.4系统供电电路设计323.4.1电机和舵机供电333.4.2各模块电源供电电路333.4.3主芯片供电34第4章系统搭建与测试364.1上位机系统搭建364.2无人船平台系统搭建与测试374.3无人船水中测试39第5章总结与展望435.1总结435.2展望43参考文献44致谢47攻读硕士学位期间发表论文情况48万方数据第1章绪论1第1章绪论1.1研究的背景白洋淀生态保护区是京津冀一带湿地典型代表之一，也是河北平原生物多样性的关键地区之一，它在维持北京及其西北区域的生态平衡、保护以大鸨、灰鹤、大天鹅等为代表的生物多样性、保护北京南水源涵养地、遏制北京南部风沙源、发挥湿地的生态服务功能等方面有非常重要的作用，并且能够有效改善该地区生态环境，图1-1所示为白洋淀湿地景观。

图1-1白洋淀湿地景观由于华北地区的持续干旱，上游9条入淀河流中7条断流，图1-2所示为进入白洋淀湿地的断流河流，再加上近年来淀区经济发展，人口增加，多年来在白洋淀乃至河北省河流和库塘湿地没有长期的观测站点，对该类湿地生态系统的保护和研究十分薄弱，使白洋淀湿地生态系统正受到前所未有的压力。

建设“白洋淀湿地生态系统定位研究站”1是为了在全球变化大背景下，长期全面观测白洋淀湿地生态系统结构、功能的变化以及与水文、水质、气象和人类活动之间的关系，探索绿色管理该湿地生态环