智能船体控制和监测系统*

摘要： 本文综合运用GPS、GSM和传感器技术，通过在PXA270上移植定制的Windows CE 5.0操作系统和自主开发的软件，实现了船体的智能控制和监测系统。系统具有体积小、功耗低、高可靠性和人性化的特点。

关键词： 船体遥控；辅助航行；无人驾驶技术；监测系统

21世纪以来，人们在展望新世纪的航海技术时总以高科技、高速度等来描述。然而现代船体的大型化、高速化和技术复杂化使得人为控制日益困难。而且，由于全球经济发展的需要，航海距离日益增加。在这种情况下，远程运输的船舶常常要在海上航行数十日且跨越近二十个时区，船员们很难适应这种时差变化，易于疲劳，因而造成事故。据权威机构统计，80%的海上事故是人为因素造成的。因此，保证船舶航行的安全问题已成为当今航运界和造船界首要的考虑因素。远洋航行、海洋开发迫切需要一种安全性好、可靠性高的控制系统。

以GPS导航功能为基础，使无人驾驶航行和远程通信自救的智能船体控制和监测系统得以设计实现。该系统功能强大，完备的资料采集功能，使人们可以随时掌握海洋的信息，强大的远程通信自救功能保证了安全性和可靠性，也增加了其可行性，而先进的无人驾驶技术更使得该系统可以应用于海洋远程运输、科学探索研究等各个领域。

本文采用Marvell公司XScale架构的PXA270芯片集作为控制终端处理器，综合运用GPS、GPRS和传感器技术，通过在XScale270上移植定制的Windows CE 5.0操作系统和自主开发的软件，构建了船体的智能控制和监测系统。系统可以实现电子地图实时显示、文件记录舰艇位置、航行状态、航行轨迹、环境参量等信息，还可以语音和图片的形式记录船员的状态信息。支持在电子地图上控制航行轨迹，并且采用PID算法实现了最佳路径规划。具备嵌入式系统体积小、功耗低、高可靠性和人性化的特点。系统总体结构如图1所示，各功能模块的特性如下。

图1 系统总体结构

导航定位模块

利用GPS定位系统得到包括纬度和经度的位置数据，将定位数据存储，并由下位机传送数据至上位机实时显示船体所在地理位置。控制终端可以自动显示船舶所航行区域范围内的电子地图，可根据需要控制电子地图的缩放及在终端屏幕的定位。船体位置以特定方式显现在地图上，根据船的移动进行重新定位，显示船舶的航行轨迹。此时，根据所在地理位置进行记录、探测，确定下一个航行目标。为了方便对特定环境的监测，可以预先制定航行轨迹，进入自动航行状态，自动控制船舶航行到指定地点。导航定位模块结构如图2所示。

图2 导航定位模块结构

远程控制模块

利用GSM技术可实现无人驾驶的自动航海功能。控制命令以GSM的通信形式传输到控制终端，控制终端根据命令格式和内容对其各项设备进行操作。如控制船舶航行速度、掌握航行方向、拍摄图片等功能都可以在无人驾驶的条件下通过远程控制来实现，模块结构如图3所示。

图3 远程控制模块结构

下位机模块

下位机主控单片机安装在受控船上负责通信、传感器数据处理及分配，对船上各子系统进行总体控制的电路模块。主控板控制3个外部设备部件，主推进机、标准舵机和温度传感器。

主推进电机控制部分增加了ADI公司的ADmC841芯片，产生PWM脉冲信号来控制ST公司的电机驱动器L298N芯片，使电机按一定速度与方向运行。从主控单片机传过来的八位速度与方向数据，经过总线驱动器送到ADmC841的P1口，由ADmC841转换成相应的PWM脉冲信号送给L298N，对直流电机进行控制。

舵机内部有一个基准电路，产生周期20ms、宽度1.5ms的基准信号，由比较器将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电机的转动信号。ADmC841还产生适当脉冲宽度的PWM脉冲信号控制舵机的转角。

航行辅助功能模块

该部分功能模块包括录音、摄像监视、烟幕控制、灯火管制和温度检测。模块结构如图4所示。

图4 航行辅助功能模块结构

船员可以使用录音软件方便地录制航海日志。该录音软件可以实现声音的录制、回放和播放，船员可以随时口述记录航海日志。

通过摄像软件可以实现实时监视，以及拍摄一些需要纪录的图片信息。该程序通过调用驱动程序，以流文件的形式读入视频信息，然后把读入的视频数据显示在控制终端上。在软件上设置牌照按钮，用鼠标点击牌照按钮后触发拍照程序，把当前显示的图像数据以图片的形式存储在指定目录。

水面舰艇尤其是军舰，烟幕是不可或缺的防御类装备，为此专门在舰艇模型上安装了烟幕弹。发烟弹的触发非常简单，只需在两个触发电极间加上5V电压即可发烟。通过主控单片机的一个I/O口线来控制它，只需外加一个扩流三极管驱动继电器。灯火管制对灯光实施统一控制，当敌舰来袭或需要隐蔽时将所有灯熄灭。它的控制原理同烟幕控制相同。

数字式温度传感器选择Dallas公司的DS18B20，将采集的数据直接送到单片机中。单片机将数据经处理后传给PXA270，在主控界面中显示。此处预留了类似接口，在今后扩展中可以加入其它对水环境的监测。

参考文献：
1. 傅曦、陈黎等，‘Windows CE嵌入式开发入门--基于xscale架构’，人民邮电出版社，2006.6
2. Andrew Sloss, Dominic Symes, Chris Wright,‘ARM嵌入式系统开发：软件设计与优化’，北京航空航天大学，2005.5
3. John Catsoulis, ‘嵌入式硬件设计’，中国电力出版社，2004.6