羅 瀟,劉旌揚(yáng),王 健,張?jiān)7?,?宏
LUO Xiao,LIU Jingyang,WANG Jian,ZHANG Yufang,YI Hong
上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240
State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China
無人帆船具備節(jié)能環(huán)保、長程續(xù)航等特點(diǎn),因此在情報(bào)搜集、海洋勘探、遠(yuǎn)海測繪、大宗商品貨運(yùn)等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[1-3]。不同種類的傳感器作為“耳目”感知環(huán)境,精確的執(zhí)行器作為“手足”控制船舶運(yùn)動,同時(shí)需要強(qiáng)大的CPU單元作為“大腦”同時(shí)執(zhí)行多任務(wù)、處理信息、產(chǎn)生決策、下達(dá)指令。然而要實(shí)現(xiàn)自動航行,不僅要有較強(qiáng)的環(huán)境感知能力、決策能力、自適應(yīng)能力,同時(shí)還要具備冗余的處理能力,對于控制系統(tǒng)提出了較高的要求。
一般的微控制器很難在實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量和復(fù)雜算法的同時(shí)保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性[4-7],而當(dāng)前國內(nèi)無人帆船實(shí)驗(yàn)平臺普遍使用的數(shù)據(jù)采集及處理的方式為,以船載計(jì)算機(jī)——使用較為普遍的是ARM微處理器——采集數(shù)據(jù),并以無線傳輸提交給岸基電腦進(jìn)行處理,處理結(jié)果形成指令,再以無線傳輸形式下達(dá)給船載計(jì)算機(jī)。文獻(xiàn)[8]使用這種數(shù)據(jù)處理方式,采用模糊控制策略對無人帆船循跡航行的控制進(jìn)行了相關(guān)研究,而實(shí)際結(jié)果并不理想。原因在于,ARM微控制器短缺的處理能力無法完成無人帆船運(yùn)動控制所需的大數(shù)據(jù)量采集和算法結(jié)算,因此提交給上位機(jī)處理,而無線傳輸方式較大地增加了延遲和數(shù)據(jù)失真的可能性,無法確保良好的實(shí)時(shí)性。文獻(xiàn)[9]采用基于Samsung S3C6410A處理器的嵌入式平臺,處理能力足夠,然而使用的2.4 GHz的無線通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備眾多,存在較大干擾,容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真和船模失控;運(yùn)用GPRS模塊接入公網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與PC端通訊的方式,信號覆蓋范圍受限于基站位置,信號質(zhì)量無法保證。因此希望設(shè)計(jì)一套可靠的無人帆船控制系統(tǒng),以船載計(jì)算機(jī)同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理,避免數(shù)據(jù)處理的無線傳輸,確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和精確性,這對處理器的計(jì)算能力提出了較高要求,因此選用PC/104單板計(jì)算機(jī)作為中央處理單元,確保足夠的處理能力。PC/104系統(tǒng)作為嵌入式PC的一種,在軟件和硬件上與標(biāo)準(zhǔn)的PC體系結(jié)構(gòu)完全兼容。它具有體積小、功能強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn),模塊間采用自堆疊方式安裝,便于靈活搭配以適應(yīng)不同的功能要求[10-16]。同時(shí)選用大功率5 GHz路由器建立局域網(wǎng),覆蓋范圍廣,信道純凈,干擾少,數(shù)據(jù)保真度高。
本文基于PC/104和ARM設(shè)計(jì)了一套無人帆船航行控制系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由四個(gè)子系統(tǒng)組成:中央處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、底層驅(qū)動系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)。中央處理系統(tǒng)為PC/104和ARM微處理器,PC/104使用開源的python語言進(jìn)行軟件模塊化開發(fā),成本低,開發(fā)簡單;ARM基于KEIL公司設(shè)計(jì)的RealView MDK開發(fā)環(huán)境,以C語言進(jìn)行底層驅(qū)動編寫,代碼運(yùn)行效率高。由于風(fēng)帆船航行過程中需要感知風(fēng)向和自身狀態(tài)(包括船舶姿態(tài)、帆角)、確定方位,因此傳感器系統(tǒng)需包含GPS系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航儀、風(fēng)向標(biāo)和帆角反饋系統(tǒng)。PC/104外接PCM-3644通訊卡,可提供8路標(biāo)準(zhǔn)RS232串口。傳感器均選用標(biāo)準(zhǔn)RS232接口,接插方便,易于更換,可擴(kuò)展性強(qiáng)。ARM接收PC/104下達(dá)的指令后,開啟定時(shí)器Timer生成脈沖寬度調(diào)制信號(PWM)控制舵機(jī)及有刷直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),進(jìn)行調(diào)速或轉(zhuǎn)向;或者生成PWM波,操縱引腳高低電平,驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),從而改變帆角。該系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,有較高的精確度,在無人帆船自動航行控制中可達(dá)到良好的控制效果。
同時(shí),受美國X-2風(fēng)帆無人艇模塊化概念設(shè)計(jì)啟發(fā),可將本套系統(tǒng)實(shí)用化為海上超長航程復(fù)合任務(wù)平臺,可用于警戒、搜索、追蹤、攔截等。風(fēng)能為主、電能為輔的復(fù)合動力設(shè)計(jì)保證無人艇超長續(xù)航,非緊急狀態(tài)下使用風(fēng)帆推進(jìn),進(jìn)入追蹤、監(jiān)視等緊急狀態(tài)自動切換至電能推進(jìn),合理搭配能源使用,高效完成既定目標(biāo)或應(yīng)對突發(fā)狀況。多任務(wù)模式對應(yīng)多樣化功能需求,平臺需搭載多元功能模塊,該設(shè)計(jì)目標(biāo)對于平臺的可擴(kuò)展性、可復(fù)用性和模塊化特點(diǎn)提出了較高要求,本文也以此為原則和創(chuàng)新點(diǎn)之一進(jìn)行設(shè)計(jì),不詳述可加載的功能模塊,在增加相應(yīng)的功能單元時(shí),只需將功能模塊信號端接入PC/104外接設(shè)備,電源線接入供電模塊,同時(shí)設(shè)計(jì)相應(yīng)的處理軟件即可。
無人帆船控制系統(tǒng)總體采用基于網(wǎng)絡(luò)通訊的上、下位機(jī)體系,無人帆船控制系統(tǒng)總框圖如圖1所示。
無人帆船控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組成:
(1)核心控制單元
核心控制單元包括上位機(jī)和下位機(jī),上位機(jī)主要用于監(jiān)控?zé)o人帆船航行狀態(tài),選用便攜式個(gè)人電腦。下位機(jī)用于采集并處理數(shù)據(jù)、發(fā)送操縱指令,置于無人帆船內(nèi)部。下位機(jī)的選擇綜合考慮可擴(kuò)展性、處理能力及尺寸,最終選取研華公司設(shè)計(jì)的PCM-3363主板,堆疊PCM-3644通訊卡以及PCM-3910電源板。
PCM-3363主板通過USB轉(zhuǎn)TTL模塊連接至ARM控制器的UART引腳,該電平轉(zhuǎn)換模塊主要為CH341A芯片,其電氣設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。VCC默認(rèn)接受USB的3.3 V電壓。輸入端J1與PC/104的USB口連接,輸出端J2與ARM控制器的UART引腳連接。通過該模塊可將PC/104端的電平轉(zhuǎn)換為TTL電平以實(shí)現(xiàn)指令下達(dá)。
(2)通訊系統(tǒng)
上位機(jī)通過遠(yuǎn)程桌面與下位機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊,監(jiān)控?zé)o人帆船航行狀態(tài)。通訊設(shè)備的選取綜合考慮傳輸速度、覆蓋域及抗干擾能力,最終選用TP-LINK公司生產(chǎn)的WDR7400 1750M型雙頻無線路由器。該路由器5 GHz頻段無線傳輸率高達(dá)1.3 Gb/s,測試傳輸距離遠(yuǎn),且5 GHz頻段用戶少、不堵塞、信道純凈、干擾較少。上位機(jī)和下位機(jī)均配備5 GHz無線網(wǎng)卡,通過無線路由器建立的5 GHz局域網(wǎng)進(jìn)行高速穩(wěn)定通訊,確保了監(jiān)控的實(shí)時(shí)性和超遠(yuǎn)控制范圍。
圖2 主控單元電氣設(shè)計(jì)原理圖
圖3 底層驅(qū)動系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)原理圖
(3)底層驅(qū)動系統(tǒng)
底層驅(qū)動系統(tǒng)包括底層驅(qū)動器和執(zhí)行器。底層驅(qū)動器選用ARM微處理器,該處理器以Cortex-M3為內(nèi)核。無人帆船系統(tǒng)的控制包括帆角控制和艏向控制,風(fēng)帆由步進(jìn)電機(jī)操縱,艏向由舵機(jī)操縱,此外加裝直流電機(jī)驅(qū)動螺旋槳推進(jìn),為方便實(shí)驗(yàn)結(jié)束后回收船舶。執(zhí)行器分別為步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)和直流無刷電機(jī)。
本文選用57HS76型步進(jìn)電機(jī),扭矩大、體積小、精度高、利于布置。該步進(jìn)電機(jī)配備TB6560 3A步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器,可進(jìn)行調(diào)速、正反轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)、精度調(diào)節(jié)。采用6N137高速光耦,保證高速不失步;內(nèi)置東芝TB6560AHQ原裝芯片,含低壓關(guān)斷、過熱停車以及過流保護(hù)電路,保證使用的安全性;并且該驅(qū)動器可對1.8°步長進(jìn)行整步、半步、1/8步、1/16步細(xì)分。
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器信號輸入端與ARM控制器脈沖信號端連接,輸出端與步進(jìn)電機(jī)信號線相連;輸入端采用共陽接法,EN端低電平或懸空時(shí)為工作狀態(tài),高電平時(shí)為脫機(jī)狀態(tài);CLK端輸入5 V脈沖,步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn),無輸入時(shí)自動進(jìn)入半流狀態(tài),鎖定電機(jī);CW端低電平時(shí)正轉(zhuǎn),高電平時(shí)反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)與絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器反饋對帆角形成閉環(huán)控制。
與此類似,ARM控制器控制信號端連接直流無刷電機(jī)驅(qū)動器,驅(qū)動器輸出端連接直流電機(jī),可通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比實(shí)現(xiàn)調(diào)速,同時(shí)可驅(qū)動電機(jī)正反轉(zhuǎn)及剎車。舵機(jī)選用Tower Pro公司設(shè)計(jì)的MG995型大扭力伺服舵機(jī),舵角與輸入的50 Hz的PWM波占空比呈正相關(guān)。舵機(jī)與慣性導(dǎo)航儀的艏向反饋對帆船艏向形成閉環(huán)控制。
該套底層驅(qū)動系統(tǒng)也適用于其他自航模型實(shí)驗(yàn),可移植性較好。底層驅(qū)動系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。
(4)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由多個(gè)傳感器和通訊卡組成,傳感器實(shí)時(shí)采集無人帆船傳感信息,并均通過標(biāo)準(zhǔn)RS232接口以特定頻率傳送至通訊卡,方便易用,更換簡單,可擴(kuò)展性強(qiáng)。選取的傳感器數(shù)據(jù)列表如表1所示。
DGPS系統(tǒng)所選型號為GNSS RTK,包括基站和移動站,基站為岸基系統(tǒng),移動站置于無人帆船上,均可通過Ethernet端口連接PC,登錄內(nèi)置Web服務(wù)器進(jìn)行監(jiān)視和配置,設(shè)置輸出頻率、端口、NEMA-0183協(xié)議語句。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)所選型號為AHRS5110M,集成三個(gè)MEMS陀螺儀、三個(gè)MEMS加速度計(jì)、三個(gè)磁場計(jì),經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊后,接入CPU模塊,并且在高性能數(shù)據(jù)處理芯片中嵌入特有的數(shù)據(jù)融合濾波算法,使系統(tǒng)即使在沖擊振動狀態(tài)下,也有穩(wěn)定的姿態(tài)數(shù)據(jù)輸出。絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器測量帆角,單圈12位分辨率,采取IP67/IP68防護(hù)等級,連接ARM控制器時(shí)需共地。
(5)供電系統(tǒng)
無人帆船的船載設(shè)備均通過高性能鋰電池供電。由于設(shè)備眾多,供電電壓各異,為減小體積,采用寬輸入隔離電源模塊進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換和隔離,具有隔離穩(wěn)壓功能和長期短路保護(hù)作用,所選的隔離電源模塊為WD5-12S3.3VA1和WD12-12S05B1型??刂葡到y(tǒng)供電電壓為直流24 V、12 V、5 V,使用一塊24 V、3塊12 V高性能鋰電池供電,直流電機(jī)驅(qū)動器需24 V電源,可直接為直流電機(jī)供電;PC/104供電電壓12 V,其電源板可輸出5 V電壓為散熱器供電;DGPS、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器均為12 V供電;風(fēng)向標(biāo)、絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器、ARM及舵機(jī)均為5 V供電,所需5 V電源通過12 V-5 V的隔離電源模塊降壓提供。各設(shè)備與電源通過插拔式接線端子連接,采用接口化設(shè)計(jì),模塊化程度高,使用方便,更換簡潔,可移植性強(qiáng)。
表1 傳感器型號
按照結(jié)構(gòu)劃分,無人帆船軟件設(shè)計(jì)分為PC/104主控計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)和ARM控制器軟件設(shè)計(jì)。按照本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo),PC/104主控單元需采集、存儲、顯示并處理各傳感器數(shù)據(jù),向ARM控制器下達(dá)指令,因此需設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集軟件、監(jiān)控界面、預(yù)留算法模塊,數(shù)據(jù)存儲功能包含于數(shù)據(jù)采集軟件,指令生成下達(dá)功能包含于預(yù)留算法模塊;ARM接收動作指令并執(zhí)行,因此需設(shè)計(jì)執(zhí)行器驅(qū)動程序。軟件結(jié)構(gòu)框架圖如圖4所示。
圖4 無人帆船軟件結(jié)構(gòu)框圖
整體軟件流程圖如圖5所示。
圖5 整體軟件流程圖
(1)執(zhí)行器驅(qū)動程序設(shè)計(jì)
執(zhí)行器驅(qū)動程序在PC端編輯,使用C語言開發(fā),編譯后經(jīng)FlyMcu軟件燒錄進(jìn)ARM控制器ROM并固化。程序功能為驅(qū)動電機(jī)、舵機(jī)和步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),主要包括指令接收和動作執(zhí)行兩部分,前者分析指令并解碼指令值,后者使能定時(shí)器、GPIO,產(chǎn)生PWM信號和脈沖信號,驅(qū)動執(zhí)行器動作。
(2)數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)
本實(shí)驗(yàn)選擇臺灣凌陽公司生產(chǎn)的TN_9紅外探測傳感器作為測溫模塊,外形如圖3所示。它是一種集成的紅外探測器,內(nèi)部有溫度補(bǔ)償電路和線性處理電路。 其測量距離大約為30m;測量回應(yīng)時(shí)間大約為0.5s。測量距離∶目標(biāo)直徑=1∶1(如圖4所示),即傳感器溫度感測口到測量目標(biāo)的距離a與測量目標(biāo)直徑b的比例為1∶1,當(dāng)然如果測量目標(biāo)為等溫物體,測量目標(biāo)的直徑b也可以大于測量距離a,傳感器的視場約為53.2°。傳感器尺寸為12mm×13.7mm×35mm,體積較小,分辨率為0.062 5°C;而且它具備SPI接口,可以很方便地向單片機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。
無人帆船實(shí)驗(yàn)需要采集的數(shù)據(jù)在表1中測量數(shù)據(jù)欄,使用Python語言進(jìn)行開發(fā),分別開設(shè)四個(gè)串口讀取傳感器數(shù)據(jù),將原始數(shù)據(jù)存于txt文本文件,校驗(yàn)數(shù)據(jù)并作切片處理,解碼分析。采用多線程任務(wù)處理模式同步接收傳感數(shù)據(jù),保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。各傳感器均采用標(biāo)準(zhǔn)RS232串口輸出數(shù)據(jù),因此不同采集模塊的流程類似,以姿態(tài)傳感器為例,其數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示。
圖6 姿態(tài)數(shù)據(jù)采集軟件流程圖
(3)算法模塊設(shè)計(jì)
算法模塊為預(yù)留模塊,可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求設(shè)計(jì)。算法自數(shù)據(jù)采集軟件獲取數(shù)據(jù),按照算法邏輯進(jìn)行處理,得出最佳艏向角和操帆角,生成操控指令并打開特定串口下達(dá)給ARM執(zhí)行程序。操控指令按特定數(shù)據(jù)協(xié)議生成,以十六進(jìn)制發(fā)送。數(shù)據(jù)協(xié)議如圖7所示。
圖7 操縱指令數(shù)據(jù)協(xié)議
(4)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)
監(jiān)控界面使用python自帶的GUI設(shè)計(jì)模塊TKinter進(jìn)行設(shè)計(jì),分為監(jiān)控區(qū)域、自動航行控制、非自動航行控制。監(jiān)控區(qū)域顯示傳感器數(shù)據(jù),自動航行控制區(qū)域主要用于自動航行控制實(shí)驗(yàn)。自動航行實(shí)驗(yàn)開始時(shí),推進(jìn)電機(jī)關(guān)閉,僅利用風(fēng)帆推進(jìn),數(shù)據(jù)采集軟件開始讀取并存儲傳感數(shù)據(jù),算法模塊開始計(jì)算、生成并下達(dá)操控指令。非自動航行控制區(qū)域用于非實(shí)驗(yàn)時(shí)間的船舶控制,有利于船舶的快速回收。監(jiān)控界面如圖8所示。
圖8 無人帆船監(jiān)控界面
基于無人帆船最主要的研究工作為算法實(shí)驗(yàn)研究,本套系統(tǒng)以此為設(shè)計(jì)目標(biāo)之一,但并不限于算法實(shí)驗(yàn)研究,同時(shí)可實(shí)用化為海上超長航程復(fù)合任務(wù)平臺。若系統(tǒng)能夠按照算法設(shè)計(jì),精確地實(shí)現(xiàn)算法功能,那么該套系統(tǒng)便是成功的設(shè)計(jì),可用于各種算法實(shí)驗(yàn)研究工作,同時(shí)也證明了復(fù)合任務(wù)平臺基本航行功能的有效性。選用Roland Stelzer提出的一種簡單有效的短途路徑規(guī)劃算法驗(yàn)證無人帆船系統(tǒng)的有效性,算法詳見文獻(xiàn)[14]。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為上海交通大學(xué)致遠(yuǎn)湖,湖長260 m,寬80 m,湖深5 m,湖面周圍無高大建筑物,風(fēng)情較為穩(wěn)定。
圖9為實(shí)驗(yàn)中的無人帆船,船長1 m,寬0.4 m,排水量11 kg,選用的圓弧型帆高0.4 m,寬0.35 m。實(shí)驗(yàn)分為橫風(fēng)實(shí)驗(yàn)、順風(fēng)實(shí)驗(yàn)、逆風(fēng)實(shí)驗(yàn)三種風(fēng)況。對算法進(jìn)行仿真,所得航跡結(jié)果如圖10所示。
圖9 無人帆船實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖
圖10 無人帆船三種風(fēng)況仿真航跡圖
圖11 橫風(fēng)船舶航跡圖
圖12 順風(fēng)船舶航跡圖
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11~13所示,圖14為實(shí)際艏向角對計(jì)算艏向角的響應(yīng)圖。由圖14可以看出,實(shí)際艏向角對計(jì)算艏向角響應(yīng)效果良好,契合程度較高。其中差值來源于實(shí)際風(fēng)向的改變和船舶運(yùn)動導(dǎo)致的目標(biāo)向量的改變兩方面的原因,差值的消除,均在5 s以內(nèi),這是船舶自動操縱對算法結(jié)果的實(shí)時(shí)響應(yīng),說明船舶可以通過靈敏的轉(zhuǎn)舵,達(dá)到預(yù)期艏向值,時(shí)間在5 s以內(nèi),說明算法的執(zhí)行效果良好,執(zhí)行器對算法的響應(yīng)效果優(yōu)異。同時(shí)對比相同風(fēng)況下的仿真結(jié)果可以看出,兩者航跡線形狀十分相近。圖13中的航跡在最長處出現(xiàn)偏折是由于絕對風(fēng)向改變。說明無人帆船控制系統(tǒng)可以精確而有效地實(shí)現(xiàn)算法功能。
圖13 逆風(fēng)船舶航跡圖
圖14 艏向角響應(yīng)效果圖
針對無人帆船的實(shí)驗(yàn)需求,設(shè)計(jì)了一套基于PC/104和ARM微處理器的無人帆船控制系統(tǒng),且硬件、軟件均具備良好性能,滿足精度要求。同時(shí)硬件連接的模塊化,豐富的外設(shè)接口,使得該套系統(tǒng)具備無可比擬的可擴(kuò)展性、可移植性和可復(fù)用性,不僅可以應(yīng)用于無人帆船的實(shí)驗(yàn)研究,還可以方便地插接其他功能模塊和相應(yīng)傳感器,進(jìn)行各種自航模實(shí)驗(yàn)研究,為無人帆船的實(shí)驗(yàn)研究節(jié)省大量時(shí)間。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該套系統(tǒng)可以精確有效地實(shí)現(xiàn)算法功能,可作為無人帆船實(shí)驗(yàn)研究的平臺;同時(shí)作為海上超長航程復(fù)合任務(wù)平臺的基本航行功能也得到了有效驗(yàn)證。后續(xù)的研究目標(biāo)為搭載相應(yīng)的功能模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn),查看該平臺對不同任務(wù)的執(zhí)行效果,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相應(yīng)功能模塊的具體可實(shí)現(xiàn)性。
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