海洋機動浮標機電測控系統(tǒng)的設計

1、楊曉光等，海洋機動浮標機電測控系統(tǒng)的設計海洋機動浮標機電測控系統(tǒng)的設計楊曉光，劉蘭軍，唐原廣，常宗瑜（中國海洋大學 工程學院，山東青島 266100）摘 要：為克服錨系浮標只能在固定站位進行海洋環(huán)境觀測的不足，研發(fā)了一種可以移動的無人海洋監(jiān)測平臺海洋機動浮標，文章介紹了海洋機動浮標的總體結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了機動浮標的機械結(jié)構(gòu)模型，設計了機動浮標測控系統(tǒng)，敘述了機動浮標數(shù)據(jù)通信、運動控制以及機動浮標測控系統(tǒng)的人機界面，并給出了機動浮標在湖中測試的實例。海洋機動浮標具有自主地在較大區(qū)域開展海洋環(huán)境觀測等能力，對于獲取大范圍的海洋環(huán)境信息具有較重要價值。關(guān)鍵詞：機動浮標；太陽能；人機界面；運動控制中圖分類號

2、：P715.2 文獻標志碼：A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2015.S.005Design of Mechanical and Electrical Control System of Marine Mobile BuoyYANG Xiao-guang, LIU Lan-jun, TANG Yuan-guang, CHANG Zong-yu(Engineering College, Ocean University of China, Shandong Qingdao 266100, China)Abstract: Moored buoy can only observe m

3、arine environment in a fixed position, this article proposes a unmanned marine platform - marine mobile buoy, introduced the general structure of marine mobile buoy, constructed the mechanical structure model of marine mobile buoy, designed the control system of marine mobile buoy, included the data

4、 communication, motion control and human- computer interface of marine mobile buoy. Marine mobile buoy can independently carry out marine environment observation tasks over a large area, which is important in acquiring a wide range of marine environmental information.Key words: marine mobile buoy, s

5、olar energy, human-computer interface, motion control 5 0 引言在各種立體海洋觀測系統(tǒng)中，浮標系統(tǒng)是重要的海洋環(huán)境觀測裝備。其具有能在惡劣的海洋環(huán)境中連續(xù)、長期、自動地對海洋氣象、水文環(huán)境進行監(jiān)測等優(yōu)點，是海洋觀測岸基站、調(diào)查船和調(diào)查飛機在空間上和時間上的拓展，具有其他任何調(diào)查方法無法替代的優(yōu)點，在海洋觀測中發(fā)揮著巨大的作用。但是浮標布放之后，只能在固定的站位開展觀測，得到站位附近的海洋觀測要素，重新定位布放需要人員、船只的大量消耗1,2。自主控制的移動海洋監(jiān)測平臺是深入開展海洋環(huán)境研究的有力工具，近期國內(nèi)外學者提出了機動海洋浮標的概念。

6、Orton P M等人開發(fā)了一種可以用于河流與淺海的機動浮標Autonomous Surface Mobile Vehicle（ASMV），它可以監(jiān)測給定的位置與路徑的海洋環(huán)境，并可以根據(jù)指令自主地解錨和錨定，如圖1(a)所示3。Wood S等人開發(fā)了一種海洋機動浮標OASIS（Ocean- Atmosphere Sensor Integration System），具有監(jiān)測海-氣界面通量、赤藻的發(fā)生以及其他一些氣象和水文資料的功能，如圖1(b)所示4。Harbor Wing Technologies公司開發(fā)了一種由風力驅(qū)動的海上無人船（AUSV），可以在海上持續(xù)航行，監(jiān)測海洋環(huán)境等，如圖1(

7、c)所示5。我國國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）指出，海洋生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測技術(shù)和設備是海洋研究的重點領域和優(yōu)先主題，為了獲取大范圍、全天候、連續(xù)和長時間的序列的海洋觀測資料，可移動的海上移動監(jiān)測平臺將發(fā)揮重要作用。本文設計了一種可以通過遠程控制實現(xiàn)對大范圍收稿日期：2015-03-17；修回日期：基金項目：國家自然科學基金（51175484）資助作者簡介：楊曉光（1990-），男，碩士研究生，研究方向：機電一體化及海洋裝備與儀器。(a) ASMV (b) OASIS (c) AUSV圖1 典型的機動浮標海域進行監(jiān)測的移動海洋無人監(jiān)測平臺海洋機動浮標，它利用對推進器和舵板的控

8、制以及GPS定位技術(shù)實現(xiàn)機動浮標在不同站位實施監(jiān)測任務，利用數(shù)傳電臺實現(xiàn)海洋機動浮標與岸上的控制系統(tǒng)進行無線數(shù)據(jù)傳輸通信，對需求的各種數(shù)據(jù)進行采集。1 海洋機動浮標總體設計海洋機動浮標可以通過螺旋槳和舵來實現(xiàn)浮標的機動性，并通過導航控制實現(xiàn)給定海域的環(huán)境監(jiān)測任務，利用太陽能來提供能量，給蓄電池充電，使機動浮標能夠長時間穩(wěn)定可靠地工作。海洋機動浮標系統(tǒng)由機動浮標海上部分和遠程控制中心組成。海洋機動浮標系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。在這里，將遠程控制中心稱為上位機，其可以直接發(fā)出操控命令。機動浮標海上部分的控制系統(tǒng)稱為下位機，由上位機控制，并直接控制機動浮標執(zhí)行各項功能。圖2 海洋機動浮標系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機動浮標海

9、上部分主要由浮標本體、嵌入式控制主板組成。其中電源模塊、運動與方向控制模塊、傳感器模塊、通信模塊、定位模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊等集成在嵌入式控制主板上面。螺旋槳、舵、太陽能電池板和各種傳感器等裝置直接安裝在浮標本體上面。海洋機動浮標海上浮體部分起著數(shù)據(jù)采集、處理和發(fā)送的作用，采集的各種信息將通過無線通信方式傳輸給遠程控制中心。遠程控制中心包括人機界面模塊、數(shù)據(jù)存貯模塊和數(shù)據(jù)通信模塊等。通信模塊起到接收、處理海洋浮標發(fā)送數(shù)據(jù)的作用，將收到的海洋浮標的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)缴衔粰C，對數(shù)據(jù)進行存儲、顯示。其中顯示的數(shù)據(jù)包括海洋機動浮標所處精確位置、航向、速度、傳感器數(shù)據(jù)、測量時間等。在上位機中通過建立友好的人機

10、界面來對數(shù)據(jù)進行處理和顯示，用戶可以方便地對上位機進行操作。2 海洋機動浮標機械系統(tǒng)由于海洋監(jiān)測測量的特殊性，機動浮標必須要能夠?qū)崿F(xiàn)沿給定軌跡巡航，到達指定坐標位置，提供足夠的能量供給，攜帶必要的監(jiān)測設備等，并且盡可能快速的到達指定位置進行各種測試監(jiān)測工作。機動浮標總體尺寸為：2000mm×800mm×600mm，水面浮體采用薄鋼板包覆的泡沫浮體材料。整個裝置的動力源為螺旋槳推進，主要依靠舵來控制方向，由太陽能電池板給蓄電池充電，提供電能驅(qū)動螺旋槳和舵板。由運動控制模塊對螺旋槳的轉(zhuǎn)速、啟停和舵的擺動角度進行控制，從而可以準確控制機動浮標的運動，并且能實現(xiàn)既定軌跡的運動等。海

11、洋機動浮標的整體機械結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。其中1為通信天線，用于遠程控制中心進行通信，也可以傳輸衛(wèi)星GPS信號；2為浮標體；3為控制箱，其中包括嵌入式主控板和與外面各種測試監(jiān)測裝置進行通信的接口等，置于控制箱內(nèi)，可以有效防水；4為推進裝置（螺旋槳），用于推進浮標進行運動；5為舵板，用于控制浮標運動轉(zhuǎn)向；6為各種傳感器裝置，主要用于實驗測試以及監(jiān)測海洋環(huán)境等；7為太陽能光伏板，用于提供能量。圖3 浮標機械結(jié)構(gòu)3 海洋機動浮標控制系統(tǒng)3.1 下位機主要模塊為完成機動浮標所需的各項功能要求，下位機主要包括以下模塊：1）GPS模塊。通過GPS來確定機動浮標的位置，并通過機動浮標的位置來對浮標進行相應的

12、控制，采用高精度GPS模塊信息采集，得到GPS經(jīng)緯度信息返回嵌入式控制板，然后通過數(shù)傳電臺將信息返回上位機控制端，顯示在地圖上并存儲地理位置信息。2）電源管理模塊。機動浮標將由太陽能電池板供電，必須保證電壓的充足可用，通過電源管理模塊將檢測電壓是否滿足14V工作電壓，滿足時進行各種動作。同時，需要配置不同的電壓值來滿足各個模塊的工作電壓。舵機部分和數(shù)傳電臺供給12V電壓，GPS和系統(tǒng)電壓則供給5V電壓，然后再將系統(tǒng)電壓分配至3V、3.3V等。3）運動控制模塊。包含螺旋槳電機、舵機和編碼器。螺旋槳電機可以控制海洋機動浮標啟動和停止，舵機和編碼器用來精確控制舵機轉(zhuǎn)角，進而控制機動浮標的轉(zhuǎn)向，使其能

13、夠到達指定位置。4）通信模塊。通信模塊要實現(xiàn)遠程控制，通過GPRS或者數(shù)傳電臺進行命令的傳輸。根據(jù)系統(tǒng)要求及主要模塊功能，繪制系統(tǒng)框圖如圖4(a)所示。按照系統(tǒng)要求，設計硬件電路并進行程序測試，完成嵌入式控制板的設計，其實際應用如圖4(b)所示。(a) (b)補充圖題圖4 下位機控制系統(tǒng)3.2 上位機主要模塊根據(jù)機動浮標系統(tǒng)中對上位機的要求，主要具有四個功能模塊：數(shù)據(jù)通信模塊，人機界面模塊，數(shù)據(jù)處理模塊和運動控制模塊。人機界面模塊是提供友好的人機界面，方便用戶操作；運動控制模塊主要是通過發(fā)送控制海洋機動浮標的命令，實時控制海洋機動浮標的運動；數(shù)據(jù)通信模塊主要完成與下位機的通信功能；數(shù)據(jù)處理模塊

14、的主要功能是處理、存儲接收的數(shù)據(jù)。這里主要介紹人機界面模塊。上位機的人機界面模塊主要包括海洋機動浮標位置的顯示、運動軌跡和運動過程中的各項參數(shù)等。機動浮標位置的顯示是通過接收串口傳輸?shù)腉PS信息并調(diào)用地圖來顯示，其調(diào)用地圖過程如圖5所示6,7。以地圖數(shù)據(jù)作為地圖底圖，利用C#中的WebBrowser控件，調(diào)用基于JavaScript的程序來獲得地圖數(shù)據(jù)。用戶在Web程序呈現(xiàn)出的電子地圖中進行關(guān)于地理信息位置的人機交互，從而獲取數(shù)據(jù)對象的經(jīng)緯度坐標，通過Xpath來查找XML信息，然后更新到操作用戶的專題應用數(shù)據(jù)中去。在本軟件中，GPS傳回的經(jīng)緯度信息進行解析后，會顯示如圖6中左側(cè)的地圖上。GP

15、S不停地傳回數(shù)據(jù)，會實時在地圖上顯示軌跡和標注，其具體應用將在測試中介紹。圖5 地圖調(diào)用結(jié)構(gòu)圖圖6 人機界面-地圖調(diào)用為了清楚顯示機動浮標航行方向以及舵板位置，設計了友好的人機界面來展示上述信息。由下位機通過數(shù)傳電臺傳回的舵轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)和機動浮標絕對航向?qū)@示在上位機上面。同時可以通過上位機給下位機發(fā)送命令來控制機動浮標的運動。機動浮標的狀態(tài)顯示在上位機界面中，界面如圖7所示，其中(a)為初始狀態(tài)，(b)為在接收到機動浮標的航向和舵的轉(zhuǎn)角信息時，根據(jù)GPS返回絕對方位信息，在界面中顯示航行方向。舵機轉(zhuǎn)角則由編碼器返回，顯示在右下角。(a) (b)補充圖題圖7 航向及轉(zhuǎn)角效果圖3.3 系統(tǒng)功能測試3

16、.3.1 無線通訊功能測試海洋機動浮標的通信功能主要通過上位機控制中心發(fā)送控制命令，從而控制機動浮標的運動。本測試通過無線通信性能的測試來反映通信功能8,9。主要為測試機動浮標的無線模塊程序，無線驅(qū)動模塊能夠正確而及時地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。海洋機動浮標下位機與上位機通過數(shù)傳電臺方式進行通訊，其最大傳輸距離20km。測試時，將機動浮標放置于開闊的湖中，同時由安裝有上位機監(jiān)控中心軟件的電腦給海洋機動浮標發(fā)送控制命令。首先使其接通電源，主控板開啟，無線模塊初始化，然后打開上位機監(jiān)控中心，設置完成之后進行無線連接，最后發(fā)送啟動的控制命令，這時海洋機動浮標能在湖中運動。同時上位機監(jiān)控中心能實時接收到海洋機動

17、浮標發(fā)送回的GPS定位等信息。海洋機動浮標能夠根據(jù)上位機監(jiān)控中心發(fā)出來的控制指令進行運動，同時上位機監(jiān)控中心也可以接收到海洋機動浮標反饋回的數(shù)據(jù)。3.3.2 GPS定位功能測試GPS定位功能測試的目標是由GPS模塊獲取海洋機動浮標位置的信息，合理地控制海洋機動浮標的監(jiān)測目標點，從而全面準確地了解整個范圍內(nèi)的水質(zhì)情況。測試的內(nèi)容包括測試上位機監(jiān)控中心是否可以獲得海洋機動浮標的位置等信息。在啟動下位機主控板后，系統(tǒng)會使GPS模塊初始化，這時GPS通信模塊就可以通過衛(wèi)星來獲取其所處位置的數(shù)據(jù)，再經(jīng)過下位機主控板來發(fā)送給上位機監(jiān)控中心。上位機監(jiān)控中心通過收到的GPS數(shù)據(jù)信息，顯示在人機交互界面上。如圖

18、8所示，通過調(diào)用地圖，直觀地得知海洋機動浮標目前所處位置。圖8 湖中測試軌跡顯示3.3.3 運動控制測試上位機控制中心將設置完成的目標位置以坐標的形式發(fā)送給海洋機動浮標。然后海洋機動浮標在收到啟動的控制命令后按照程序的設定進行相應的運動。測試結(jié)果如圖8所示。在實際的測試中，可以通過上位機監(jiān)控中心來控制海洋機動浮標的運動。通過在上位機監(jiān)控中心中設置完成運動的目標位置后，下位機主控板通過控制電機，由螺旋槳驅(qū)動海洋機動浮標的運動，同時控制舵機，用來調(diào)整海洋機動浮標運動的方向。實驗的結(jié)果表明，機動浮標可以通過遠程控制來實現(xiàn)其運動的控制、定位、數(shù)據(jù)的傳輸?shù)裙δ?。機動浮標在湖中的運動可以準確地表示在地圖上

19、面，分辨率較高，可靠性強。4 結(jié)論本文開發(fā)了一種可進行大范圍海洋環(huán)境監(jiān)測的機動浮標，完成了海洋機動浮標機械結(jié)構(gòu)設計和測控系統(tǒng)設計，編制了嵌入式控制主板與各個模塊之間的程序設計。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對機動浮標的遠程控制、定位、信息傳輸與顯示等功能，能夠搭載各種監(jiān)測儀器進行海洋環(huán)境監(jiān)測，具有很強的實用性。參考文獻：1毛祖松. 我國近海波浪浮標的歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展J. 海洋技術(shù)學報, 2007, 26(2): 23-26.2常宗瑜, 戴源, 常東輝, 等. 波浪能直接驅(qū)動機動浮標的推進機構(gòu)設計J. 中國海洋大學學報, 2014, 44(4): 100-103.3Orton P M, Gillis W R, M

20、oisan J R, et al. The Mobile Buoy: An Autonomous Surface Vehicle for Integrated Ocean-Atmosphere StudiesC/ Washington: American Geophysical Union, Spring Meeting. 2009.4Wood S, Rees M, PIeiIfer Z. An Autonomous Self-Mooring Vehicle for Littoral & Coastal ObservationsC/Oceans. 2007.5Harbor Wing Technologies, Inc. Harbor wing AUSV. 2010EB/OL. products.htm.6唐原廣, 邵淑平