项目分类自然科学√社会科学中国海洋大学本科生研究发展计划（OUC-SRDP）项目申 请 书项目名称：具有自主避障能力的无人监测艇研制申 请 者：白苏雅联系：18306486108电子信箱：SRDP_USV@所在院系：信息科学与工程学院 电子工程系指导教师：何波申请经费金额：29000元项目起止时间：2013年4月--2014年4月申报时间：2013年4月8日二○一三 年 四 月 八 日本科生研究发展计划管理委员会一、基本情况1．申请者情况姓 名白苏雅性 别女出生年月1994.7.18所在院（系）信息科学与工程学院 电子系专业年级通信工程 2011级学 号0202620110012．项目组成员情况姓 名性 别出生年月专业年级分 工呼欣蕾女1994.3通信工程2011级艇体机构设计和安装,单片机编程和系统调试刘 亚男1993.3通信工程2011级艇体机构设计和安装,电子系统硬件设计与调试刘扬崇男1992.8通信工程2011级岸基测控软件设计、试验刘承志男1993.12通信工程2011级船载测控软件设计、试验3．指导教师情况姓 名何波职 称教授学 历博士开设课程DSP技术与应用，数字信号处理器的原理与应用等研究方向陆路机器人，水下潜器的通信，无线传输器网络，定位与控制等学部、院（系）信息科学与工程学院电子系E-mail地址bhe@电 话139696760094．课题来源：□科研 □教学 □设计 □工程 □自选 □其他（ ）5．申请理由：知识条件，特长、兴趣，相关经历等本团队全体成员均来自信息科学与工程学院电子系通信工程专业，接受了学校良好的专业教育，拥有一定的电子电路方面的知识储备，并对电子技术有浓厚的兴趣。
目前，全体成员均已修完《电路分析基础》《数字电子技术基础》《模拟电子技术基础》等专业相关课程，并修完大物实验、数字电子技术实验、模拟电子技术实验等，有一定的实验经验并对控制电路有一定的技术了解和基础除此之外，为了更好地完成本次项目，我们进行了相关知识及技术的自学，并查阅了大量相关资料，对本次项目涉及的器件和装置进行了深入了解同时，我们会向院内教授、讲师请教相关技术问题另外，团队内有两人曾参加AMD杯（青岛）大学生电子设计大赛，也为本次项目积累了经验二、项目方案1．目的及意义海洋空间与资源不仅是当今世界军事、经济竞争的重要领域，也是一个临海国家与民族持续安泰昌盛的战略基地为了探索和开发海洋，各国都在大力进行基于无人平台的海洋探测技术的开发 目前海洋无人智能监测平台的种类主要有：水下遥控机器人（ROV)、无人水下自主航行器（AUV)、无人自主表面船（USV,Unmanned Surface Vehicle)等其中无人船相对于其他的无人智能平台有独特的优势，无人船工作于海表面，是一种具有自主航行能力,并可自主完成环境感知、目标探测等任务的小型水面平台,可承担情报收集、监视侦察、扫雷、反潜、精确打击、搜捕、水文地理勘察,反恐,中继通信等功能。
目前多个国家都开展了无人艇技术的相关研究,美国和以色列在无人艇研究和应用方面走在世界前列,国内对无人艇的研究与国外相比还有较大的差距 开展大学生USV研究有如下意义：1) USV研究能够引发大学生的浓厚的科研兴趣，并给予大学生一个将自己所学付诸实践的平台2) 我校的海洋科学领域在国内有独到的优势，但是在海洋技术领域却亟待发展，通过USV研究可以为我校工科大学生和海洋技术类大学生提供一个很好的平台，能够将工科特点和海洋特点紧密地结合起来，对大学生培养和学科发展都具重要意义3) 开发海洋是人类在二十一世纪面临的重大课题，而探索、考察和有效利用国际海域是对我国发展海洋高技术和未来海洋产业提出的挑战水面无人艇是多种现代高技术及其系统集成的产物，对于我国海洋经济、海洋产业、海洋开发和海洋高科技具有特殊的意义4) 随着对海洋资源的开发力度的加大，政府、企业进一步加大对海洋经济的投资和使用与此同时，作为海洋类院校更应该注重起对海洋方面的研究和开发5) 水面无人艇是一种具有自主航行能力,并可自主完成环境感知、目标探测等任务的小型水面平台,可承担情报收集、监视侦察、扫雷、反潜、精确打击、搜捕、水文地理勘察,反恐,中继通信等功能。
在军事、经济、气象探测等多个领域都具有重大意义，多个国家都正致力于水面无人平台的研究和开发我们团队就是在这种大背景下提出了“无人船”研究课题该无人船控制系统的设计开发主要基于GPS技术、无线通信技术和单片机技术，通过PC机进行总控制，能够深入无人海域并采集海洋科学数据基本功能有：1) 通过GPS系统、无线通信系统及单片机控制的舵机系统，实现船体定位及沿设定轨迹航行2) 通过环境探测传感器采集各种海洋科学数据，并通过无线通信系统传回基案总控制系统3) 简单处理数据，自主躲避障碍物4) 利用摄像头进行图像采集并存储5) 利用单片机系统进行船体内部环境检测，出现异常（如船舱漏水、电力系统电压过低）时及时报警 2．研究内容与研究方法2.1 主要研究内容1) 通过GPS系统、无线通信系统及单片机控制的舵机系统，实现无人艇船体定位及沿设定轨迹航行2) 通过激光测距仪、数字罗盘、舵机控制转向等方法，简单处理数据，自主躲避障碍物停止航行等待动态障碍物通过，或绕行避开障碍物3) 通过摄像头等任务传感器采集海洋科学数据，通过无线通信系统传回岸基控制系统4) 利用单片机系统进行船体内部环境检测，出现异常（如船舱漏水、电力系统电压过低）时及时报警。
2.2 研究方案与技术路线2.2.1 USV船体选择： 船型特点：硬壳充气单人皮筏艇，此类船型船身宽，保证航行时具有足够的稳定性和抗倾覆性；船舱经防水密封处理后，舱内可以放置船载系统的大部分元件，方便实用，简洁美观实物图见图1 具体参数：长：3米；宽：0.77米；高:0.27米 毛重: 21 公斤；净重:20公斤;承重量：120公斤 图1 船体实物图2.2.2 USV整体系统设计该USV控制系统包括两个部分：船载系统和岸基平台系统通过无线通信模块进行相互间的数据传输和指令的发送与接收USV整体系统概念图如图2 图2 USV整体系统概念图2.2.3 USV岸基平台设计岸基平台系统包括PC计算机控制模块、显示模块和无线通信模块岸基平台设计图如图3岸基平台系统以PC机作为控制核心，通过无线通信发送和接收指令及船载系统收集到的信息，另配备一台显示器实时显示船载摄像头采集到的视频画面，配备控制面板（或由PC机直接控制）对船载系统进行速度控制及其他调试等等计划由团队自行设计一款岸基调试软件，界面效果预测图如下，可以显示船体GPS定位信息、航行速度、数字罗盘检测到的航行角度、船载系统电源情况、船载系统是否有泄露、是否工作正常等。
软件界面效果预想图如图4利用岸基平台的硬件设计及软件调试，可以很好地保证岸基平台和船载系统的良好通信及岸基平台对船载系统的控制图3 岸基平台设计图图4 岸基PC机控制软件 界面效果预想图2.2.4 USV船载系统 电子硬件系统 在船载系统的物理架构设计的基础上，将船载系统划分为六个功能模块：控制模块、能源模块、航行驱动模块、导航定位模块、通信模块、数据采集模块设计模块图如图5 图5 设计模块图图6 USV船载系统设计图系统硬件架构如图7所示控制模块是船载系统的核心，在这里汇总来自其他模块的所有数据和信息，给其他模块提供控制指令，以达到控制船体及与岸基平台通信的目的而其他模块都具备各自相应的处理功能，负责本模块内部的信息处理和具体控制指令的生成主控制器是一台PC机（或PC104 CPU），预装Windows XP系统，控制程序预先写入，并保证正常运行主控制器通过USB转RS-232或以太网转RS-232串口转换卡，与激光测距仪、GPS等多个模块连接，USB数据传输速率远大于RS-232串口，充分利用PC机的USB资源 图7 系统硬件架构图整体硬件特点归纳如下：a. 船体载有电池组，作为船载系统总电源，可供驱动模块、传感器、无线通信模块等多种电子设备使用。
b. 驱动模块：为船体提供动力c. 无线数传模块：船载系统和岸基平台间的无线通信d. 舵控制板：根据激光测距仪、数字罗盘、GPS采集到的信息，控制推进器，改变航向e. CCD摄像头：采集视频信息，通过主控制器存储在船载硬盘中f. 激光测距仪：检测航行前方是否有障碍物，通过主控制器控制舵机转向，实现避障功能g. 数字罗盘、GPS：感测航行路线和方向，使其沿预订轨迹航行，有偏差时及时调整h. 该平台内部主要通过RS-232串口进行连接，所有数据都可以通过主控制器存储于硬盘中，或通过无线数传模块传输回岸基平台，实时监控详细模块叙述1) 控制模块a. 主控制器：笔记本或PC104 CPU 控制模块作为无人艇逻辑架构的核心,通过串口和网络接收来自其他子模块的信息,同时利用串口和网络向其他子模块下达相应的控制指令此模块负责将所有接收到的信息进行分类和汇总，编码后通过无线通信模块发送回岸基系统，同时岸基平台生成的控制指令将通过相同的通信线路发送回船载系统，由此模块对其进行解析分类，指挥其他子模块的操作控制模块作为系统信息流的汇聚点,负责接收和处理来自其他六个子模块的不同格式的数据信息,同时监督各子模块的工作状态,信息处理量最大，所以我们选用PC机作为此模块的控制核心，利用其强大的计算处理能力，保证船载系统的正常工作。
b. 单片机控制系统：以单片机dsPIC 30F4011或dsPIC 30F6014为主控芯片控制舵控制板及船内参数采集设备，并通过RS-232串口与主控制器进行信息交换2) 航行驱动模块a. 推进器：主推进器为船体提供前进动力b. 舵控制板：以舵控制板控制舵机，从而控制航向 图8舵机的转角范围通常是 0 到 180 度,舵机的转角通常由脉宽来控制, 一般舵机都会有三根输入线 （电源正, 地, 信号线）,PWM 信号由信号线输入, 上位机产生周期为 20ms 左右的方波作为输入信号,方波的占空比决定舵机转的角度如图8所示） 图9我们使用以DSP为主体的电路控制舵机，工作流程（如图9）：当电机处于运行状态时，给定的位置信号U0与反馈位置信号Ub的偏差经过位置环PID调节得到速度的参考值Vg，控制器根据测出的电机反馈位置信息计算出当前转速Vs, Vg与Vs在DSP中进行PI计算(速度环)得到电流的给定电压参考值Uig，电机绕组电流反馈信号经过电流传感器的检测从A/ D口送入DSP，经转换得到当前主回路的电流反馈电压值Uif，将Uif与Uig、进行PI计算(电流环)，用得到的电流调节器的输出去调节占空比，进而控制功率开关管的导通与关断，从而实现对无刷直流电动机位置、转速、电流或转矩的控制。
3) 能源模块能源模块提供全艇所需能源,本艇采用电池组作为主要能源为了确保无人艇能够安全返航,必要时可以关闭不重要的设备,或者降低航速电池组为全船的电子设备进行供电,工作时间不小于无人艇单次巡航所需时间,计划采用蓄电池组,为了满足特殊设备的供电需求,可以更换成银锌电池组,同等质量下其电容量是铅酸蓄电池的5倍电池组位置的选择便于安装和布置,根据任务需要可整体替换,以满足连续执行任务的需要电池组连接有电源监控模块，与上位机直接进行数据交换，主控制器根据电源情况作出相应反应，同时将通过无线传输模块传送回岸基平台，操作人员可进行实时监控4) 导航定位模块 无人艇必须获得实时的定位信息,因此导航系统选用卫星导航系统,使用GPS获取包括UTC时间、经纬度位置以及速度在内的卫星导航信息，该设备应安装在远离其他通信天线的位置,减少电磁干扰,避免影响卫星信号接收信息获取要求尽可能实时，所有信息通过串口发送给控制模块进行信息提取其开关机等由控制模块直接控制5) 无线通讯模块 船载系统利用无线数传电台实现与岸基平台的无线通讯以布设无线网络作为通信方式，相比于有线通信，成本低、建设工程周期短、适应性好、扩展性好，避免了通信线路的冗余,保证无人艇与主控站之间的实时通信。
无线数传模块选用NRF905模块，图10 NRF905模块 本模块三频段收发合一，工作频率为国际通用的ISM频段433/868/915MHz GMSK调制，抗干扰能力强；采用DSS+PLL频率合成技术，频率稳定性极好，灵敏度高，达到-100dBm；低工作电压（2.7V），功耗小，待机状态仅为1uA，可满足低功耗设备的要求；工作速率最高可达76.8Kbps ；开阔地的使用距离最远可达1000米各项优点均满足USV船载系统和岸基平台之间的通信要求，能够很好的保证指令的传送和数据的传输6) 数据采集模块数据采集模块面向船内环境和航行环境两个方向航行环境数据采集主要通过CCD摄像头、激光测距仪和数字罗盘实现 激光测距仪选用Sick LMS-200，它体积小，重量轻，便于安装和固定；具有较高的扫描精度和扫描频率；内部集成Ethernet接口，方便系统集成及高速通讯，且具有内部滤波功能利用激光测距仪对航行前方障碍物等进行监测，配合数字罗盘、舵机等实现无人艇的避障功能，保证无人艇的航行安全其最大测量距离为80m，分辨率可达到10mm，测量角度为180° 数字罗盘主要利用磁阻传感器和两轴倾斜传感器来提供航向和姿态信息。
为此我们选用HMR3000，它功耗低、体积小、重量轻并且带有非铁磁性金属外壳，便于安装固定在船体上，利用其实时测量的航行角度，配合GPS导航定位模块检测航行是否偏移设定航线；实时输出船体的俯仰、横滚和航向角度，感测水面平稳度，误差在±0.5°之内 CCD摄像头负责采集水面视频画面，通过串口与控制模块相连，将视频信息存储在硬盘中，待岸基工作人员提取调用图13 CCD防水摄像头图12 数字罗盘 HMR3000图11 激光测距仪 Sick LMS-200船内环境数据采集主要通过单片机控制传感器实现舵控制板上的单片机在控制舵机的同时，控制船内参数采集设备，主要包括温湿度传感器、船体泄露报警检测两个部分温湿度传感器用于检测船体内部的温湿度，检测到的数据通过单片机、主控制器、无线数传模块，可以实时显示在岸基调试界面，便于工作人员了解船体泄露报警检测用于检测船体密封性是否良好，如有泄露及时报警，避免海水流入导致电子元件的损坏2.2.5 USV船载系统 软件系统软件系统分为船载软件系统和岸基软件系统软件设计整体采用模块化的思想进行开发，船载软件系统与岸基软件系统间的通信是通过无线通信模块来实现的。
A.岸基软件系统，即客户端，主要负责： a.向舰载软件系统发送连接请求 b.接收船载系统中各类传感器传来的数据并进行解析c.接收客户端端发送的状态参数、位置数据等信息，根据需要向下位机发送控制指令B.船载软件系统，即服务器端，主要负责： a.等待岸基发送连接请求 b.对各类传感器传输来的数据进行打包处理 c.将舱内状态参数等信息上传到上位机 另外，船载软件系统还要负责处理接收来自于上岸基平台的指令，然后对接收到的指令进行解析，把对应的指令信息发送到相应的传感器，达到远程控制的目的 图14 USV船载系统 软件流程图 当无人船指令程序输入内存，开始在水面上工作时，工作流程（如图14）如下：当该种预编程无人船被输入指令或者接收远程信息后，程序开始启动，系统检测船内温/湿度，如正常，则开始运行后续程序，否则停止程序，工作人员重新对船体密封装置进行检测，明确原因后再重新启动；无人船航行期间，避障传感器（激光测距仪）、GPS、数字罗盘，分别收集障碍、速度、角度等信息，并传送到控制器，使其对推进器和舷外机做出相应变化，使无人船按设定路线航行；当电源监控系统监测到电量不足时，发出返航指令或者发出求救信号，经GPS定位，让工作人员及时收回。
编程环境介绍： USV上位机采用C++程序语言进行开发，开发环境为Window XP+VC6.0（Microsoft Visual C++ 6.0）,Microsoft Visual C++ 6.0是Windows平台上目前最主流的可视化界面编程环境自主避障算法：采用最采样用的方法，比如人工势场法大体思路如图15对于USV绕过障碍物的规划，采用了改进的人工势场法，运用斥力函数方法作为避障行为的算法，克服了USV行进过程中可能存在的局部极小值问题，适应多变的动态环境，可以成功从一个目标点达到下一个目标点图15 YN获得当前的坐标和子目标点的位置计算引力矢量计算斥力矢量计算当前位置与子目标之间的距离吸引矢量与排斥矢量加权和计算出加速度、速度和角加速度到达子目标点PID控制各种速度的变化量=0 ？获得下一个子目标点根据激光测距提供的数据计算YN趋向目标行为输出避障行为输出2.3 研究方法1) 早期复习和自学相关专业知识，并搜索无人艇相关资料，小组讨论，咨询老师，对设计方案不合理的地方及时改进，完善设计方案；2) 对设计方案中的关键技术例如无线通信技术、GPS技术、单片机技术，软件编程等，重点研究。
3) 零器件模板清晰，并具备较好操作能力之后开始制作电路板，加工部件，编写程序4) 对组装出的初步设计成果在实验室进行多次模拟测试，确定各元件都可顺利工作后，在浅水域实验，获取实验数据，完善项目，总结报告 3．特色与创新本项目旨在设计一个能够按照设定路线航行并可自主避障的无人监测艇实现了对船体的远程操控，采集科学数据，并与岸基控制系统进行数据传递在遇到障碍时，能够通过自主地数据分析，躲避障碍物改变了一贯的有人驾驶的海上数据采集方式，应用无线通信系统实现了远程控制、远程数据采集无载人的船体重量轻、吃水浅，可进入载人条件下无法进入的海域、环境未知海域进行探测，既可拓展探测空间，又可节省人力、极大保障人身安全主要特色：1) 自主避障功能：船载系统中数字罗盘、激光测距仪、舵机系统和单片机系统可使船体自动规避障碍物2) 电源实时监控与智能调节：利用电源监控模块实现上位机直接对系统电源的实时监测并显示不必另设一模块进行电源数据采集，节约资源电量不足时及时补充，避免了能源中断的问题船载系统感测到船载能源不足时，可以自行关闭一些任务传感器，如摄像头等，或者自行降低航速，保留正常航行功能，保证其安全返航。
3) 良好的扩展性：该系统可以搭建成功后，具有良好的可扩展性，未来可搭载多种探测设备，完成不同任务4) 船体选择：船体采用硬壳充气艇，航行时可保证其平稳性，不会出现意外沉没或倾覆的情况，便于无人艇的实现，避免意外导致的元件资源浪费等情况5) 技术涵盖广泛：采用无线通信模块与主控制器、单片机相结合的系统方案，涉及到C/VC编程、运动控制、模拟/数字电路设计、信号处理、电源管理、电机驱动、传感器技术等多个方面4． 支撑条件分析l 通过在近两年大学中的学习，课程《计算机辅助设计（CAD）》、《电路分析》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《大学物理实验》均已修完，正在学习的课程有《单片机应用》、《数据结构》、《数字系统设计》等，掌握了一定的编程知识、电子电路和传感器方面的知识，都可以为我们的课题设计服务l 信息学院的各种实验室，如模拟电子技术实验室、数字电子技术实验室、数字系统设计实验室，示波器、万用表、回流焊台等实验仪器，为项目运行提供基本保障电子系实验室中诸多的数据处理设备可以帮助我们准确的获得所需要的实验结果在软件方面，电子系老师们娴熟的技术能够为我们答疑解惑此外，每学期进行的电子技能实训也为我们熟悉实验室环境提供了有利条件。
l 项目指导教师由知识渊博、实验和带队经验丰富的何波老师担任，在课题研究过程中能给予我们专业性的指导和帮助何波老师长期从事专业研究，有着丰富的实践经验，并且有专属实验室l 本装置所采用的元器件采购使用方便，价格较为合理l 指导老师实验室可提供已研制成功的船只驱动模块，为无人艇的航行驱动模块提供了有力支援；指导老师实验室可提供已配备的激光测距仪、数字罗盘等较为昂贵的设备，为课题研究提供良好的前期经济、研究条件5．目标与成果1) 设计一个能够按照设定路线航行并可自主避障的无人监测艇2) 测试USV工作情况3) 形成项目论文6.进度安排l 2013年3月—2013年5月：查阅相关资料学习无人船方面知识，打好理论基础；强化Auto CAD以及Protel等软件的使用l 2013年6月：小组讨论，咨询老师，对设计方案不合理的地方及时改进，完善课题；器件模板清晰，元器件购买l 2013年7月—2013年9月：重点研究USV船体改造、航行驱动模块、舵机控制等基本航行所需功能；l 2013年10月—2014年1月：重点研究无线通信模块、GPS定位，避障功能电路板加工，编写程序，调试岸基系统；l 2014年2月—2014年3月：整体组装，电子硬件调试，在实验室进行多次模拟测试；l 2014年3月—2014年4月：在浅水域下水试航，继续调试。
l 2014年5月：完善项目，总结报告7.经费使用计划序号支出项目金额（元）依据或理由1单人皮划艇2000USV船体选型，1个2电动推进器（舷外机）1900USV驱动推进器，2个3PC104模块3000142.5寸HDD50015Pc104串口卡180016三轴数字罗盘模块28001716位单片机50050元*10个8舵机2000控制推进器转向，2个9无线数传模块1000500*2个10电源监控模块3002个11高精度GPS25001个12蓄电池1200600*2个13其他元器件等耗材3000元器件、线缆、焊锡等14PCB制版200015USV改装材料费2000包括铝合金管材、棒材、铝板、PVC/PC材料等16USV机构加工费200017杂费500市内交通费，实验有关图书购买费用和纸张等耗材合 计29000三、推荐及审批意见1、指导教师推荐意见 该小组五位同学对该项目所需的前期课程已通过上课和自学手段获得且通过近期观察，小组同学团队合作能力较强，积极性也很高 方案经过仔细审查，比较合理，切实可行签字： 年 月 日2、院（系）推荐意见负责人（签字）： 单位（公章） 年 月 日3、学校本科生研究发展计划管理委员会审批意见负责人（签字）： 单位（公章） 年 月 日22。