海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)機(jī)電測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、楊曉光等，海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)機(jī)電測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)機(jī)電測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)楊曉光，劉蘭軍，唐原廣，常宗瑜（中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東青島 266100）摘 要：為克服錨系浮標(biāo)只能在固定站位進(jìn)行海洋環(huán)境觀測(cè)的不足，研發(fā)了一種可以移動(dòng)的無人海洋監(jiān)測(cè)平臺(tái)海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)，文章介紹了海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的總體結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型，設(shè)計(jì)了機(jī)動(dòng)浮標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)，敘述了機(jī)動(dòng)浮標(biāo)數(shù)據(jù)通信、運(yùn)動(dòng)控制以及機(jī)動(dòng)浮標(biāo)測(cè)控系統(tǒng)的人機(jī)界面，并給出了機(jī)動(dòng)浮標(biāo)在湖中測(cè)試的實(shí)例。海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)具有自主地在較大區(qū)域開展海洋環(huán)境觀測(cè)等能力，對(duì)于獲取大范圍的海洋環(huán)境信息具有較重要價(jià)值。關(guān)鍵詞：機(jī)動(dòng)浮標(biāo)；太陽(yáng)能；人機(jī)界面；運(yùn)動(dòng)控制中圖分類號(hào)

2、：P715.2 文獻(xiàn)標(biāo)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(cè)系統(tǒng)中，浮標(biāo)系統(tǒng)是重要的海洋環(huán)境觀測(cè)裝備。其具有能在惡劣的海洋環(huán)境中連續(xù)、長(zhǎng)期、自動(dòng)地對(duì)海洋氣象、水文環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，是海洋觀測(cè)岸基站、調(diào)查船和調(diào)查飛機(jī)在空間上和時(shí)間上的拓展，具有其他任何調(diào)查方法無法替代的優(yōu)點(diǎn)，在海洋觀測(cè)中發(fā)揮著巨大的作用。但是浮標(biāo)布放之后，只能在固定的站位開展觀測(cè)，得到站位附近的海洋觀測(cè)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(dòng)海洋監(jiān)測(cè)平臺(tái)是深入開展海洋環(huán)境研究的有力工具，近期國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了機(jī)動(dòng)海洋浮標(biāo)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(jī)動(dòng)浮標(biāo)Autonomous Surface Mobile Vehicle（ASMV），它可以監(jiān)測(cè)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(jī)動(dòng)浮標(biāo)OASIS（Ocean- Atmosphere Sensor Integration System），具有監(jiān)測(cè)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(fēng)力驅(qū)動(dòng)的海上無人船（AUSV），可以在海上持續(xù)航行，監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境等，如圖1(

7、c)所示5。我國(guó)國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)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(cè)技術(shù)和設(shè)備是海洋研究的重點(diǎn)領(lǐng)域和優(yōu)先主題，為了獲取大范圍、全天候、連續(xù)和長(zhǎng)時(shí)間的序列的海洋觀測(cè)資料，可移動(dòng)的海上移動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)將發(fā)揮重要作用。本文設(shè)計(jì)了一種可以通過遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍收稿日期：2015-03-17；修回日期：基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51175484）資助作者簡(jiǎn)介：楊曉光（1990-），男，碩士研究生，研究方向：機(jī)電一體化及海洋裝備與儀器。(a) ASMV (b) OASIS (c) AUSV圖1 典型的機(jī)動(dòng)浮標(biāo)海域進(jìn)行監(jiān)測(cè)的移動(dòng)海洋無人監(jiān)測(cè)平臺(tái)海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)，它利用對(duì)推進(jìn)器和舵板的控

8、制以及GPS定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)浮標(biāo)在不同站位實(shí)施監(jiān)測(cè)任務(wù)，利用數(shù)傳電臺(tái)實(shí)現(xiàn)海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)與岸上的控制系統(tǒng)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸通信，對(duì)需求的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。1 海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)總體設(shè)計(jì)海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)可以通過螺旋槳和舵來實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)的機(jī)動(dòng)性，并通過導(dǎo)航控制實(shí)現(xiàn)給定海域的環(huán)境監(jiān)測(cè)任務(wù)，利用太陽(yáng)能來提供能量，給蓄電池充電，使機(jī)動(dòng)浮標(biāo)能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定可靠地工作。海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)系統(tǒng)由機(jī)動(dòng)浮標(biāo)海上部分和遠(yuǎn)程控制中心組成。海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。在這里，將遠(yuǎn)程控制中心稱為上位機(jī)，其可以直接發(fā)出操控命令。機(jī)動(dòng)浮標(biāo)海上部分的控制系統(tǒng)稱為下位機(jī)，由上位機(jī)控制，并直接控制機(jī)動(dòng)浮標(biāo)執(zhí)行各項(xiàng)功能。圖2 海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機(jī)動(dòng)浮標(biāo)海

9、上部分主要由浮標(biāo)本體、嵌入式控制主板組成。其中電源模塊、運(yùn)動(dòng)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(yáng)能電池板和各種傳感器等裝置直接安裝在浮標(biāo)本體上面。海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)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(yuǎn)程控制中心。遠(yuǎn)程控制中心包括人機(jī)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(biāo)發(fā)送數(shù)據(jù)的作用，將收到的海洋浮標(biāo)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示。其中顯示的數(shù)據(jù)包括海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)所處精確位置、航向、速度、傳感器數(shù)據(jù)、測(cè)量時(shí)間等。在上位機(jī)中通過建立友好的人機(jī)

10、界面來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示，用戶可以方便地對(duì)上位機(jī)進(jìn)行操作。2 海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)機(jī)械系統(tǒng)由于海洋監(jiān)測(cè)測(cè)量的特殊性，機(jī)動(dòng)浮標(biāo)必須要能夠?qū)崿F(xiàn)沿給定軌跡巡航，到達(dá)指定坐標(biāo)位置，提供足夠的能量供給，攜帶必要的監(jiān)測(cè)設(shè)備等，并且盡可能快速的到達(dá)指定位置進(jìn)行各種測(cè)試監(jiān)測(cè)工作。機(jī)動(dòng)浮標(biāo)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(gè)裝置的動(dòng)力源為螺旋槳推進(jìn)，主要依靠舵來控制方向，由太陽(yáng)能電池板給蓄電池充電，提供電能驅(qū)動(dòng)螺旋槳和舵板。由運(yùn)動(dòng)控制模塊對(duì)螺旋槳的轉(zhuǎn)速、啟停和舵的擺動(dòng)角度進(jìn)行控制，從而可以準(zhǔn)確控制機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)，并且能實(shí)現(xiàn)既定軌跡的運(yùn)動(dòng)等。海

11、洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。其中1為通信天線，用于遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行通信，也可以傳輸衛(wèi)星GPS信號(hào)；2為浮標(biāo)體；3為控制箱，其中包括嵌入式主控板和與外面各種測(cè)試監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行通信的接口等，置于控制箱內(nèi)，可以有效防水；4為推進(jìn)裝置（螺旋槳），用于推進(jìn)浮標(biāo)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；5為舵板，用于控制浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向；6為各種傳感器裝置，主要用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試以及監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境等；7為太陽(yáng)能光伏板，用于提供能量。圖3 浮標(biāo)機(jī)械結(jié)構(gòu)3 海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)控制系統(tǒng)3.1 下位機(jī)主要模塊為完成機(jī)動(dòng)浮標(biāo)所需的各項(xiàng)功能要求，下位機(jī)主要包括以下模塊：1）GPS模塊。通過GPS來確定機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的位置，并通過機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的位置來對(duì)浮標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)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(tái)將信息返回上位機(jī)控制端，顯示在地圖上并存儲(chǔ)地理位置信息。2）電源管理模塊。機(jī)動(dòng)浮標(biāo)將由太陽(yáng)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(cè)電壓是否滿足14V工作電壓，滿足時(shí)進(jìn)行各種動(dòng)作。同時(shí)，需要配置不同的電壓值來滿足各個(gè)模塊的工作電壓。舵機(jī)部分和數(shù)傳電臺(tái)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(yùn)動(dòng)控制模塊。包含螺旋槳電機(jī)、舵機(jī)和編碼器。螺旋槳電機(jī)可以控制海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)啟動(dòng)和停止，舵機(jī)和編碼器用來精確控制舵機(jī)轉(zhuǎn)角，進(jìn)而控制機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的轉(zhuǎn)向，使其能

13、夠到達(dá)指定位置。4）通信模塊。通信模塊要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，通過GPRS或者數(shù)傳電臺(tái)進(jìn)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(shè)計(jì)硬件電路并進(jìn)行程序測(cè)試，完成嵌入式控制板的設(shè)計(jì)，其實(shí)際應(yīng)用如圖4(b)所示。(a) (b)補(bǔ)充圖題圖4 下位機(jī)控制系統(tǒng)3.2 上位機(jī)主要模塊根據(jù)機(jī)動(dòng)浮標(biāo)系統(tǒng)中對(duì)上位機(jī)的要求，主要具有四個(gè)功能模塊：數(shù)據(jù)通信模塊，人機(jī)界面模塊，數(shù)據(jù)處理模塊和運(yùn)動(dòng)控制模塊。人機(jī)界面模塊是提供友好的人機(jī)界面，方便用戶操作；運(yùn)動(dòng)控制模塊主要是通過發(fā)送控制海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的命令，實(shí)時(shí)控制海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)；數(shù)據(jù)通信模塊主要完成與下位機(jī)的通信功能；數(shù)據(jù)處理模塊

14、的主要功能是處理、存儲(chǔ)接收的數(shù)據(jù)。這里主要介紹人機(jī)界面模塊。上位機(jī)的人機(jī)界面模塊主要包括海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)位置的顯示、運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)過程中的各項(xiàng)參數(shù)等。機(jī)動(dòng)浮標(biāo)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(jìn)行關(guān)于地理信息位置的人機(jī)交互，從而獲取數(shù)據(jù)對(duì)象的經(jīng)緯度坐標(biāo)，通過Xpath來查找XML信息，然后更新到操作用戶的專題應(yīng)用數(shù)據(jù)中去。在本軟件中，GPS傳回的經(jīng)緯度信息進(jìn)行解析后，會(huì)顯示如圖6中左側(cè)的地圖上。GP

15、S不停地傳回?cái)?shù)據(jù)，會(huì)實(shí)時(shí)在地圖上顯示軌跡和標(biāo)注，其具體應(yīng)用將在測(cè)試中介紹。圖5 地圖調(diào)用結(jié)構(gòu)圖圖6 人機(jī)界面-地圖調(diào)用為了清楚顯示機(jī)動(dòng)浮標(biāo)航行方向以及舵板位置，設(shè)計(jì)了友好的人機(jī)界面來展示上述信息。由下位機(jī)通過數(shù)傳電臺(tái)傳回的舵轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)和機(jī)動(dòng)浮標(biāo)絕對(duì)航向?qū)@示在上位機(jī)上面。同時(shí)可以通過上位機(jī)給下位機(jī)發(fā)送命令來控制機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)。機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的狀態(tài)顯示在上位機(jī)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(jī)動(dòng)浮標(biāo)的航向和舵的轉(zhuǎn)角信息時(shí)，根據(jù)GPS返回絕對(duì)方位信息，在界面中顯示航行方向。舵機(jī)轉(zhuǎn)角則由編碼器返回，顯示在右下角。(a) (b)補(bǔ)充圖題圖7 航向及轉(zhuǎn)角效果圖3.3 系統(tǒng)功能測(cè)試3

16、.3.1 無線通訊功能測(cè)試海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的通信功能主要通過上位機(jī)控制中心發(fā)送控制命令，從而控制機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)。本測(cè)試通過無線通信性能的測(cè)試來反映通信功能8,9。主要為測(cè)試機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的無線模塊程序，無線驅(qū)動(dòng)模塊能夠正確而及時(shí)地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)下位機(jī)與上位機(jī)通過數(shù)傳電臺(tái)方式進(jìn)行通訊，其最大傳輸距離20km。測(cè)試時(shí)，將機(jī)動(dòng)浮標(biāo)放置于開闊的湖中，同時(shí)由安裝有上位機(jī)監(jiān)控中心軟件的電腦給海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)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(jī)監(jiān)控中心，設(shè)置完成之后進(jìn)行無線連接，最后發(fā)送啟動(dòng)的控制命令，這時(shí)海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)能在湖中運(yùn)動(dòng)。同時(shí)上位機(jī)監(jiān)控中心能實(shí)時(shí)接收到海洋機(jī)動(dòng)

17、浮標(biāo)發(fā)送回的GPS定位等信息。海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)能夠根據(jù)上位機(jī)監(jiān)控中心發(fā)出來的控制指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，同時(shí)上位機(jī)監(jiān)控中心也可以接收到海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)反饋回的數(shù)據(jù)。3.3.2 GPS定位功能測(cè)試GPS定位功能測(cè)試的目標(biāo)是由GPS模塊獲取海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)位置的信息，合理地控制海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的監(jiān)測(cè)目標(biāo)點(diǎn)，從而全面準(zhǔn)確地了解整個(gè)范圍內(nèi)的水質(zhì)情況。測(cè)試的內(nèi)容包括測(cè)試上位機(jī)監(jiān)控中心是否可以獲得海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的位置等信息。在啟動(dòng)下位機(jī)主控板后，系統(tǒng)會(huì)使GPS模塊初始化，這時(shí)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(jī)主控板來發(fā)送給上位機(jī)監(jiān)控中心。上位機(jī)監(jiān)控中心通過收到的GPS數(shù)據(jù)信息，顯示在人機(jī)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(jī)動(dòng)浮標(biāo)目前所處位置。圖8 湖中測(cè)試軌跡顯示3.3.3 運(yùn)動(dòng)控制測(cè)試上位機(jī)控制中心將設(shè)置完成的目標(biāo)位置以坐標(biāo)的形式發(fā)送給海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)。然后海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)在收到啟動(dòng)的控制命令后按照程序的設(shè)定進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。測(cè)試結(jié)果如圖8所示。在實(shí)際的測(cè)試中，可以通過上位機(jī)監(jiān)控中心來控制海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)。通過在上位機(jī)監(jiān)控中心中設(shè)置完成運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)位置后，下位機(jī)主控板通過控制電機(jī)，由螺旋槳驅(qū)動(dòng)海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)控制舵機(jī)，用來調(diào)整海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)的方向。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，機(jī)動(dòng)浮標(biāo)可以通過遠(yuǎn)程控制來實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)的控制、定位、數(shù)據(jù)的傳輸?shù)裙δ?。機(jī)動(dòng)浮標(biāo)在湖中的運(yùn)動(dòng)可以準(zhǔn)確地表示在地圖上

19、面，分辨率較高，可靠性強(qiáng)。4 結(jié)論本文開發(fā)了一種可進(jìn)行大范圍海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的機(jī)動(dòng)浮標(biāo)，完成了海洋機(jī)動(dòng)浮標(biāo)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，編制了嵌入式控制主板與各個(gè)模塊之間的程序設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的遠(yuǎn)程控制、定位、信息傳輸與顯示等功能，能夠搭載各種監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。參考文獻(xiàn)：1毛祖松. 我國(guó)近海波浪浮標(biāo)的歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展J. 海洋技術(shù)學(xué)報(bào), 2007, 26(2): 23-26.2常宗瑜, 戴源, 常東輝, 等. 波浪能直接驅(qū)動(dòng)機(jī)動(dòng)浮標(biāo)的推進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)J. 中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào), 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