海洋机动浮标机电测控系统的设计

1、杨晓光等，海洋机动浮标机电测控系统的设计海洋机动浮标机电测控系统的设计杨晓光，刘兰军，唐原广，常宗瑜（中国海洋大学 工程学院，山东青岛 266100）摘 要：为克服锚系浮标只能在固定站位进行海洋环境观测的不足，研发了一种可以移动的无人海洋监测平台海洋机动浮标，文章介绍了海洋机动浮标的总体结构，构建了机动浮标的机械结构模型，设计了机动浮标测控系统，叙述了机动浮标数据通信、运动控制以及机动浮标测控系统的人机界面，并给出了机动浮标在湖中测试的实例。海洋机动浮标具有自主地在较大区域开展海洋环境观测等能力，对于获取大范围的海洋环境信息具有较重要价值。关键词：机动浮标；太阳能；人机界面；运动控制中图分类号

2、：P715.2 文献标志码：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 引言在各种立体海洋观测系统中，浮标系统是重要的海洋环境观测装备。其具有能在恶劣的海洋环境中连续、长期、自动地对海洋气象、水文环境进行监测等优点，是海洋观测岸基站、调查船和调查飞机在空间上和时间上的拓展，具有其他任何调查方法无法替代的优点，在海洋观测中发挥着巨大的作用。但是浮标布放之后，只能在固定的站位开展观测，得到站位附近的海洋观测要素，重新定位布放需要人员、船只的大量消耗1,2。自主控制的移动海洋监测平台是深入开展海洋环境研究的有力工具，近期国内外学者提出了机动海洋浮标的概念。

6、Orton P M等人开发了一种可以用于河流与浅海的机动浮标Autonomous Surface Mobile Vehicle（ASMV），它可以监测给定的位置与路径的海洋环境，并可以根据指令自主地解锚和锚定，如图1(a)所示3。Wood S等人开发了一种海洋机动浮标OASIS（Ocean- Atmosphere Sensor Integration System），具有监测海-气界面通量、赤藻的发生以及其他一些气象和水文资料的功能，如图1(b)所示4。Harbor Wing Technologies公司开发了一种由风力驱动的海上无人船（AUSV），可以在海上持续航行，监测海洋环境等，如图1(

7、c)所示5。我国国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）指出，海洋生态与环境监测技术和设备是海洋研究的重点领域和优先主题，为了获取大范围、全天候、连续和长时间的序列的海洋观测资料，可移动的海上移动监测平台将发挥重要作用。本文设计了一种可以通过远程控制实现对大范围收稿日期：2015-03-17；修回日期：基金项目：国家自然科学基金（51175484）资助作者简介：杨晓光（1990-），男，硕士研究生，研究方向：机电一体化及海洋装备与仪器。(a) ASMV (b) OASIS (c) AUSV图1 典型的机动浮标海域进行监测的移动海洋无人监测平台海洋机动浮标，它利用对推进器和舵板的控

8、制以及GPS定位技术实现机动浮标在不同站位实施监测任务，利用数传电台实现海洋机动浮标与岸上的控制系统进行无线数据传输通信，对需求的各种数据进行采集。1 海洋机动浮标总体设计海洋机动浮标可以通过螺旋桨和舵来实现浮标的机动性，并通过导航控制实现给定海域的环境监测任务，利用太阳能来提供能量，给蓄电池充电，使机动浮标能够长时间稳定可靠地工作。海洋机动浮标系统由机动浮标海上部分和远程控制中心组成。海洋机动浮标系统结构如图2所示。在这里，将远程控制中心称为上位机，其可以直接发出操控命令。机动浮标海上部分的控制系统称为下位机，由上位机控制，并直接控制机动浮标执行各项功能。图2 海洋机动浮标系统结构机动浮标海

9、上部分主要由浮标本体、嵌入式控制主板组成。其中电源模块、运动与方向控制模块、传感器模块、通信模块、定位模块以及数据处理模块等集成在嵌入式控制主板上面。螺旋桨、舵、太阳能电池板和各种传感器等装置直接安装在浮标本体上面。海洋机动浮标海上浮体部分起着数据采集、处理和发送的作用，采集的各种信息将通过无线通信方式传输给远程控制中心。远程控制中心包括人机界面模块、数据存贮模块和数据通信模块等。通信模块起到接收、处理海洋浮标发送数据的作用，将收到的海洋浮标的数据实时传输到上位机，对数据进行存储、显示。其中显示的数据包括海洋机动浮标所处精确位置、航向、速度、传感器数据、测量时间等。在上位机中通过建立友好的人机

10、界面来对数据进行处理和显示，用户可以方便地对上位机进行操作。2 海洋机动浮标机械系统由于海洋监测测量的特殊性，机动浮标必须要能够实现沿给定轨迹巡航，到达指定坐标位置，提供足够的能量供给，携带必要的监测设备等，并且尽可能快速的到达指定位置进行各种测试监测工作。机动浮标总体尺寸为：2000mm×800mm×600mm，水面浮体采用薄钢板包覆的泡沫浮体材料。整个装置的动力源为螺旋桨推进，主要依靠舵来控制方向，由太阳能电池板给蓄电池充电，提供电能驱动螺旋桨和舵板。由运动控制模块对螺旋桨的转速、启停和舵的摆动角度进行控制，从而可以准确控制机动浮标的运动，并且能实现既定轨迹的运动等。海

11、洋机动浮标的整体机械结构示意图如图3所示。其中1为通信天线，用于远程控制中心进行通信，也可以传输卫星GPS信号；2为浮标体；3为控制箱，其中包括嵌入式主控板和与外面各种测试监测装置进行通信的接口等，置于控制箱内，可以有效防水；4为推进装置（螺旋桨），用于推进浮标进行运动；5为舵板，用于控制浮标运动转向；6为各种传感器装置，主要用于实验测试以及监测海洋环境等；7为太阳能光伏板，用于提供能量。图3 浮标机械结构3 海洋机动浮标控制系统3.1 下位机主要模块为完成机动浮标所需的各项功能要求，下位机主要包括以下模块：1）GPS模块。通过GPS来确定机动浮标的位置，并通过机动浮标的位置来对浮标进行相应的

12、控制，采用高精度GPS模块信息采集，得到GPS经纬度信息返回嵌入式控制板，然后通过数传电台将信息返回上位机控制端，显示在地图上并存储地理位置信息。2）电源管理模块。机动浮标将由太阳能电池板供电，必须保证电压的充足可用，通过电源管理模块将检测电压是否满足14V工作电压，满足时进行各种动作。同时，需要配置不同的电压值来满足各个模块的工作电压。舵机部分和数传电台供给12V电压，GPS和系统电压则供给5V电压，然后再将系统电压分配至3V、3.3V等。3）运动控制模块。包含螺旋桨电机、舵机和编码器。螺旋桨电机可以控制海洋机动浮标启动和停止，舵机和编码器用来精确控制舵机转角，进而控制机动浮标的转向，使其能

13、够到达指定位置。4）通信模块。通信模块要实现远程控制，通过GPRS或者数传电台进行命令的传输。根据系统要求及主要模块功能，绘制系统框图如图4(a)所示。按照系统要求，设计硬件电路并进行程序测试，完成嵌入式控制板的设计，其实际应用如图4(b)所示。(a) (b)补充图题图4 下位机控制系统3.2 上位机主要模块根据机动浮标系统中对上位机的要求，主要具有四个功能模块：数据通信模块，人机界面模块，数据处理模块和运动控制模块。人机界面模块是提供友好的人机界面，方便用户操作；运动控制模块主要是通过发送控制海洋机动浮标的命令，实时控制海洋机动浮标的运动；数据通信模块主要完成与下位机的通信功能；数据处理模块

14、的主要功能是处理、存储接收的数据。这里主要介绍人机界面模块。上位机的人机界面模块主要包括海洋机动浮标位置的显示、运动轨迹和运动过程中的各项参数等。机动浮标位置的显示是通过接收串口传输的GPS信息并调用地图来显示，其调用地图过程如图5所示6,7。以地图数据作为地图底图，利用C#中的WebBrowser控件，调用基于JavaScript的程序来获得地图数据。用户在Web程序呈现出的电子地图中进行关于地理信息位置的人机交互，从而获取数据对象的经纬度坐标，通过Xpath来查找XML信息，然后更新到操作用户的专题应用数据中去。在本软件中，GPS传回的经纬度信息进行解析后，会显示如图6中左侧的地图上。GP

15、S不停地传回数据，会实时在地图上显示轨迹和标注，其具体应用将在测试中介绍。图5 地图调用结构图图6 人机界面-地图调用为了清楚显示机动浮标航行方向以及舵板位置，设计了友好的人机界面来展示上述信息。由下位机通过数传电台传回的舵转角数据和机动浮标绝对航向将显示在上位机上面。同时可以通过上位机给下位机发送命令来控制机动浮标的运动。机动浮标的状态显示在上位机界面中，界面如图7所示，其中(a)为初始状态，(b)为在接收到机动浮标的航向和舵的转角信息时，根据GPS返回绝对方位信息，在界面中显示航行方向。舵机转角则由编码器返回，显示在右下角。(a) (b)补充图题图7 航向及转角效果图3.3 系统功能测试3

16、.3.1 无线通讯功能测试海洋机动浮标的通信功能主要通过上位机控制中心发送控制命令，从而控制机动浮标的运动。本测试通过无线通信性能的测试来反映通信功能8,9。主要为测试机动浮标的无线模块程序，无线驱动模块能够正确而及时地发送和接收数据。海洋机动浮标下位机与上位机通过数传电台方式进行通讯，其最大传输距离20km。测试时，将机动浮标放置于开阔的湖中，同时由安装有上位机监控中心软件的电脑给海洋机动浮标发送控制命令。首先使其接通电源，主控板开启，无线模块初始化，然后打开上位机监控中心，设置完成之后进行无线连接，最后发送启动的控制命令，这时海洋机动浮标能在湖中运动。同时上位机监控中心能实时接收到海洋机动

17、浮标发送回的GPS定位等信息。海洋机动浮标能够根据上位机监控中心发出来的控制指令进行运动，同时上位机监控中心也可以接收到海洋机动浮标反馈回的数据。3.3.2 GPS定位功能测试GPS定位功能测试的目标是由GPS模块获取海洋机动浮标位置的信息，合理地控制海洋机动浮标的监测目标点，从而全面准确地了解整个范围内的水质情况。测试的内容包括测试上位机监控中心是否可以获得海洋机动浮标的位置等信息。在启动下位机主控板后，系统会使GPS模块初始化，这时GPS通信模块就可以通过卫星来获取其所处位置的数据，再经过下位机主控板来发送给上位机监控中心。上位机监控中心通过收到的GPS数据信息，显示在人机交互界面上。如图

18、8所示，通过调用地图，直观地得知海洋机动浮标目前所处位置。图8 湖中测试轨迹显示3.3.3 运动控制测试上位机控制中心将设置完成的目标位置以坐标的形式发送给海洋机动浮标。然后海洋机动浮标在收到启动的控制命令后按照程序的设定进行相应的运动。测试结果如图8所示。在实际的测试中，可以通过上位机监控中心来控制海洋机动浮标的运动。通过在上位机监控中心中设置完成运动的目标位置后，下位机主控板通过控制电机，由螺旋桨驱动海洋机动浮标的运动，同时控制舵机，用来调整海洋机动浮标运动的方向。实验的结果表明，机动浮标可以通过远程控制来实现其运动的控制、定位、数据的传输等功能。机动浮标在湖中的运动可以准确地表示在地图上

19、面，分辨率较高，可靠性强。4 结论本文开发了一种可进行大范围海洋环境监测的机动浮标，完成了海洋机动浮标机械结构设计和测控系统设计，编制了嵌入式控制主板与各个模块之间的程序设计。该系统实现了对机动浮标的远程控制、定位、信息传输与显示等功能，能够搭载各种监测仪器进行海洋环境监测，具有很强的实用性。参考文献：1毛祖松. 我国近海波浪浮标的历史、现状与发展J. 海洋技术学报, 2007, 26(2): 23-26.2常宗瑜, 戴源, 常东辉, 等. 波浪能直接驱动机动浮标的推进机构设计J. 中国海洋大学学报, 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唐原广, 邵淑平