劉素花, 李思忍, 徐永平

(1. 青島理工大學(xué), 山東 青島 266520; 2. 中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所, 山東 青島 266071)

基于單片機(jī)和模糊控制的浮標(biāo)自動(dòng)防碰撞系統(tǒng)

劉素花1, 李思忍2, 徐永平2

(1. 青島理工大學(xué), 山東 青島 266520; 2. 中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所, 山東 青島 266071)

針對(duì)海洋觀測(cè)浮標(biāo)易受過(guò)往船只碰撞及惡劣天氣的影響而損壞, 提出了基于單片機(jī)和模糊控制的浮標(biāo)自動(dòng)防碰撞系統(tǒng)。該系統(tǒng)以C8051F340單片機(jī)作為核心控制芯片, 設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的軟硬件, 實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的采集、處理、分析和傳送。以距離、風(fēng)速信號(hào)及其變化量作為輸入變量, 建立了相應(yīng)的模糊控制規(guī)則和控制算法, 設(shè)計(jì)了模糊控制器, 為浮標(biāo)長(zhǎng)期、安全運(yùn)行提供了保證, 并為海洋測(cè)量?jī)x器實(shí)現(xiàn)智能化控制奠定了基礎(chǔ)。

浮標(biāo); 防碰撞; 單片機(jī); 模糊控制

海洋觀測(cè)儀器是海洋觀測(cè)的工具和手段, 作為海上現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的傳統(tǒng)儀器, 海洋浮標(biāo)在研究海洋和大氣的相互作用及全球氣候變化、預(yù)報(bào)全球性和地區(qū)性海洋災(zāi)害、海洋污染監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)真實(shí)性校驗(yàn)、以及作為平臺(tái)用于水聲通訊和水下定位等方面發(fā)揮了重要作用[1]。但目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)浮標(biāo)都是在海面上漂浮或任其在海上漂流, 這樣一旦遇到大風(fēng)大浪, 浮標(biāo)就會(huì)丟失或者損壞, 不利于數(shù)據(jù)的采集, 而且現(xiàn)在提倡環(huán)保, 如若浮標(biāo)丟失或損壞, 以至于不能正常收回, 就會(huì)對(duì)海洋造成越來(lái)越多的污染, 給海洋生態(tài)造成越來(lái)越多的危害。同時(shí), 測(cè)量海氣交界面參數(shù)的搭載平臺(tái)由于位于海表面上, 若長(zhǎng)時(shí)間錨泊在海表面上, 很容易受到海上過(guò)往交通工具和惡劣風(fēng)浪的影響, 因此本系統(tǒng)的主要功能是能夠根據(jù)環(huán)境的變化自動(dòng)避讓防碰撞, 自動(dòng)檢測(cè)海上過(guò)往交通工具到自身的距離以及海上風(fēng)浪的情況,在必要的時(shí)候, 自動(dòng)下潛到水下一定深度(例如水下50 m), 這樣可以保證在不利于系統(tǒng)安全的因素出現(xiàn)時(shí), 使系統(tǒng)及時(shí)潛伏避讓, 可有效地保證整套系統(tǒng)的安全性, 同時(shí)減小設(shè)備損壞或丟失給海洋帶來(lái)的污染。

1 防觸碰系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

就目前而言, 在國(guó)內(nèi)外各種海洋要素測(cè)量?jī)x器的研究中, 防碰撞性能的應(yīng)用還不多, 主要用于船舶航海[2,3], 自治式水下機(jī)器人和自治式水下航行

器[4]。本項(xiàng)研究是國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)

海洋環(huán)境立體監(jiān)測(cè)技術(shù)中節(jié)能型自治式多功能海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一項(xiàng)研究?jī)?nèi)容。節(jié)能型自治式多功能海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將定點(diǎn)錨泊潛標(biāo)和浮標(biāo)技術(shù)相結(jié)合, 并創(chuàng)新性地融進(jìn)了節(jié)能技術(shù), 具有良好的傳感器擴(kuò)充功能, 可根據(jù)終端用戶(hù)的需要, 搭載不同的氣象、水文和水質(zhì)等傳感器, 能夠測(cè)量海氣交界面的水文氣象參數(shù), 同時(shí)又能夠進(jìn)行海水次表層水質(zhì)參數(shù)的連續(xù)垂直剖面測(cè)量, 在有海上交通工具經(jīng)過(guò)或遇到惡劣的海面海況時(shí), 系統(tǒng)能夠下潛到50 m的深度進(jìn)行避讓。此套系統(tǒng)具有節(jié)省能源、可長(zhǎng)期服役、多參數(shù)和連續(xù)剖面測(cè)量、自治性工作強(qiáng)的特點(diǎn)。它是一種獨(dú)創(chuàng)的, 海洋軍事、海洋研究和海上工程建設(shè)前期調(diào)查等急需的, 實(shí)用性極強(qiáng)的海上測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

設(shè)計(jì)的浮標(biāo)式搭載平臺(tái)自動(dòng)防觸碰系統(tǒng)主要由信息收集、數(shù)據(jù)處理和行動(dòng)決策三部分組成[5,6]。信息收集就是通過(guò)測(cè)距傳感器自動(dòng)監(jiān)測(cè)海上過(guò)往交通工具的狀況和由水文氣象傳感器監(jiān)測(cè)海上風(fēng)浪的情況。數(shù)據(jù)處理是通過(guò)采集到的數(shù)據(jù)與事先設(shè)定的條件進(jìn)行態(tài)勢(shì)評(píng)估, 并將處理后的數(shù)據(jù)傳送到控制中心。行動(dòng)決策就是控制中心發(fā)出命令, 確定浮標(biāo)式搭載平臺(tái)下潛與否等情況。這樣可以保證在不利于系統(tǒng)安全的因素出現(xiàn)時(shí), 使系統(tǒng)及時(shí)潛伏避讓。在此防觸碰系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中, 建立合適的避碰模型, 選擇合適的控制方法, 進(jìn)而設(shè)計(jì)合適的控制器, 是保證系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)避碰防損壞的關(guān)鍵。防觸碰系統(tǒng)硬件原理圖如圖2所示。

圖1 節(jié)能型自治式多功能海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Scheme of the energy-conserving, automatic, multifunction marine environmental monitoring system

圖2 防觸碰系統(tǒng)硬件原理圖Fig. 2 Scheme of the anti-collision system

其工作過(guò)程為： 距離傳感器和環(huán)境氣象監(jiān)測(cè)儀輸出的信號(hào)通過(guò)串行收發(fā)模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào), 由單片機(jī)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的軟件算法把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成距離和風(fēng)速值, 單片機(jī)將實(shí)測(cè)值與其內(nèi)設(shè)距離、風(fēng)速值相比較, 計(jì)算出偏差, 再調(diào)用模糊控制算法程序, 由模糊控制器輸出控制量, 從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)使浮標(biāo)避讓。本設(shè)計(jì)中, 激光測(cè)距傳感器選用 Dimetix的 DLS-A15,其測(cè)程為 0.2～200 m, 測(cè)量精度達(dá)±1.5 mm, 采用串行接口方式; 環(huán)境氣象監(jiān)測(cè)儀采用美國(guó)R.MYoung公司的高精度、堅(jiān)固耐用工業(yè)級(jí)氣象傳感器組成的EMM-03型環(huán)境監(jiān)測(cè)氣象儀, 可監(jiān)測(cè)風(fēng)向、風(fēng)速、空氣濕度、相對(duì)濕度、大氣壓力5個(gè)參數(shù); 串行收發(fā)模塊采用 MAX3223芯片。單片機(jī)選用 C8051F340。C8051F340設(shè)備是完全集成的混合信號(hào)片上微控制器, 具有片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器、電源管理器、看門(mén)狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器(MCUs)。用戶(hù)軟件可以控制所有外設(shè)以及可以單獨(dú)地關(guān)閉任何一個(gè)或所有的外設(shè)以節(jié)約能源。驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元主要通過(guò)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn), 利用相應(yīng)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)搭載平臺(tái)的下潛、上浮。

2 系統(tǒng)模糊控制器的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的避障控制策略(如人工勢(shì)場(chǎng)法、柵格法),由于需要精確的環(huán)境數(shù)學(xué)模型而不能滿(mǎn)足對(duì)象在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下實(shí)時(shí)避障的要求。模糊控制策略是建立在人類(lèi)專(zhuān)家控制經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的一種智能控制方法,在模糊控制策略中, 需要考慮控制器的輸入條件和輸出結(jié)果。模糊控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)智能控制。模糊控制系統(tǒng)是一種具有反饋的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng), 適用于被控過(guò)程沒(méi)有數(shù)學(xué)模型或很難建立精確數(shù)學(xué)模型的工業(yè)過(guò)程, 它是解決不確定系統(tǒng)控制的一種有效途徑。模糊控制系統(tǒng)有較強(qiáng)的魯棒性及抗干擾能力, 在控制過(guò)程中能大大減弱參數(shù)變化對(duì)控制效果的影響, 非常適合于非線性、時(shí)變及滯后系統(tǒng)的控制[7,8]。模糊控制的基本原理可由圖3表示。

隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 單片機(jī)性能在不斷提高, 可以完成復(fù)雜的控制。在模糊控制中專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)是一系列含有語(yǔ)言變量的條件語(yǔ)句和規(guī)則, 而模糊集合理論又能十分恰當(dāng)?shù)乇磉_(dá)具有模糊性的語(yǔ)言變量和條件語(yǔ)句。將單片機(jī)與模糊集合理論相結(jié)合, 用模糊集合理論對(duì)語(yǔ)言變量模糊化, 再用模糊推理對(duì)系統(tǒng)的輸入狀態(tài)進(jìn)行處理, 產(chǎn)生相應(yīng)的控制策略, 以實(shí)現(xiàn)對(duì)那些難以建立數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)進(jìn)行有效控制。

圖3 模糊控制器原理圖Fig. 3 Scheme of the fuzzy controller

本設(shè)計(jì)主要針對(duì)浮標(biāo)工作環(huán)境存在的非線性、不確定性和時(shí)變性等特點(diǎn), 采用了模糊控制的數(shù)學(xué)模型。在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)模糊控制一般采用3種方式：強(qiáng)度轉(zhuǎn)移方式、直接查表方式和公式計(jì)算方式。強(qiáng)度轉(zhuǎn)移方式是按模糊控制的極大-極小法進(jìn)行推理。直接查表方式是通過(guò)離線計(jì)算, 得到一張模糊控制表并將控制表存放在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中的, 在控制應(yīng)用過(guò)程中, 速度快實(shí)時(shí)性強(qiáng)。公式計(jì)算一般不適應(yīng)于多參數(shù)的計(jì)算。

為了保證對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制, 控制算法采用Mamdani查表法。Mamdani查表法事先設(shè)計(jì)模糊控制響應(yīng)表, 在軟件設(shè)計(jì)時(shí)只需將控制表事先置入內(nèi)存中供實(shí)時(shí)查詢(xún)用。這樣, 單片機(jī)分時(shí)采樣各傳感器的信息, 數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)態(tài)勢(shì)評(píng)估, 判斷浮標(biāo)此時(shí)是否存在危險(xiǎn), 如果浮標(biāo)存在危險(xiǎn), 數(shù)據(jù)送入模糊控制器, 經(jīng)過(guò)模糊控制器后輸出的電壓信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng), 使浮標(biāo)下潛, 以達(dá)到自動(dòng)避讓目的; 如果判斷出浮標(biāo)安全, 則單片機(jī)繼續(xù)采集各傳感器的信息,繼續(xù)判斷。在浮標(biāo)下潛過(guò)程中, 要不斷判斷浮標(biāo)是否到達(dá)指定深度, 如果到達(dá)指定深度, 浮標(biāo)停止下潛,等待危險(xiǎn)結(jié)束; 如果浮標(biāo)沒(méi)有到達(dá)指定深度, 浮標(biāo)繼續(xù)下潛, 直到到達(dá)指定深度。當(dāng)危險(xiǎn)結(jié)束時(shí), 浮標(biāo)要上浮到水面, 繼續(xù)工作。

2.1 模糊控制器的結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)中, 來(lái)自傳感器的信號(hào)有： 激光測(cè)距傳感器的距離信號(hào)、氣象監(jiān)測(cè)儀的風(fēng)速信號(hào)、風(fēng)向信號(hào)、溫度信號(hào)、大氣壓信號(hào)和雨量信號(hào), 這些信號(hào)中只有距離信號(hào)和風(fēng)速信號(hào)對(duì)本系統(tǒng)有意義, 因?yàn)榫嚯x和風(fēng)速直接決定了浮標(biāo)是否需要采取避讓動(dòng)作。因此, 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)雙輸入單輸出的雙二維模糊控制器, 如圖4所示。

圖4 防觸碰模糊控制器的結(jié)構(gòu)Fig. 4 Scheme of the fuzzy controller for anti-collision system

由圖 4： 本系統(tǒng)輸入變量選為障礙物(船舶等)到浮標(biāo)的距離S及其一階導(dǎo)數(shù)S＇, 風(fēng)速V及其一階導(dǎo)數(shù)V′。輸出變量選為電機(jī)電壓信號(hào)U。距離S的模糊子狀態(tài)為NsB(距離過(guò)小)、NsS(距離略小)、ZsO(零距離偏差)、PsS(距離略大)、PsB(距離過(guò)大); 風(fēng)速V的模糊子狀態(tài)為NvB(風(fēng)速過(guò)小)、NvS(風(fēng)速略小)、ZvO(零風(fēng)速偏差)、PvS(風(fēng)速略大)、PvB(風(fēng)速過(guò)大)。距離變化率：

風(fēng)速變化率：

它們反映了現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)的距離偏差和風(fēng)速偏差的變化方向。

輸入變量S,S＇和V,V＇的隸屬函數(shù)采用最常用的三角形, 輸出的隸屬函數(shù)可用單點(diǎn)的隸屬度函數(shù)。將距離、風(fēng)速控制器的輸出狀態(tài)分為5個(gè)狀態(tài)子集,具體對(duì)應(yīng)如下：U(1) (全電壓輸出驅(qū)動(dòng)),U(3/4)(3/4電壓輸出驅(qū)動(dòng)),U(1/2)(1/2電壓輸出驅(qū)動(dòng)),U(1/4)(1/4電壓輸出驅(qū)動(dòng)),U(0)(零電壓輸出驅(qū)動(dòng))。

2.2 模糊控制規(guī)則

當(dāng)距離偏差為NsB時(shí), 距離和設(shè)定的安全距離相差最大, 為使距離減到最小, 盡快消除偏差, 無(wú)論距離怎樣變化, 應(yīng)使控制量增加較快, 所以模糊控制系統(tǒng)取較大的控制量, 以最快的速度避讓。當(dāng)距離偏差為NsS或ZsO時(shí), 主要工作為穩(wěn)定性問(wèn)題, 為了防止超調(diào), 使距離盡快穩(wěn)定(也就是盡快使浮標(biāo)處于安全狀態(tài)), 選擇相應(yīng)的控制規(guī)則, 距離模糊控制規(guī)則如表1。風(fēng)速模糊控制規(guī)則的制定方法與距離相同,同樣根據(jù)風(fēng)速變化的具體情況來(lái)確定控制量的變化,選擇相應(yīng)的控制規(guī)則, 根據(jù)模糊控制規(guī)則計(jì)算出各種輸入狀態(tài)的控制輸出U, 最后用最大隸屬度法進(jìn)行模糊決策, 使模糊量轉(zhuǎn)化為精確量。

表1 模糊控制規(guī)則表Tab. 1 Fuzzy control rules

2.3 模糊控制算法

要執(zhí)行模糊控制, 在計(jì)算機(jī)中就必須通過(guò)一定的算法實(shí)現(xiàn), 就是從輸入的連續(xù)精確量中通過(guò)模糊控制的算法過(guò)程, 求出相應(yīng)的精確控制值, 基于Mamdami推理的控制算法有關(guān)系矩陣法、查表法和解析法。在本系統(tǒng)中采用Mamdami查表法。

查表法需要事先設(shè)計(jì)模糊控制響應(yīng)表, 在軟件設(shè)計(jì)時(shí)將表格事先置入內(nèi)存中供實(shí)時(shí)查表使用。在實(shí)際控制時(shí), 模糊控制器首先把輸入量量化到輸入量的語(yǔ)言變量論域中, 再根據(jù)量化的結(jié)果去查出控制表, 這樣大大提高模糊控制的實(shí)時(shí)性, 節(jié)省內(nèi)存空間。

設(shè)計(jì)控制表首先求出模糊關(guān)系R, 再根據(jù)輸入的偏差和偏差變化率和用合成推理方法求出模糊輸入量, 最后經(jīng)過(guò)反模糊化可把模糊量轉(zhuǎn)換為精確量,即可得到控制輸出量。

設(shè)有m條控制規(guī)則, 形如“ifAiandBjthenCij”,分別為：

上述模糊條件語(yǔ)句最后可以用一個(gè)模糊關(guān)系矩陣來(lái)描述, 即：

設(shè)Ai(i=1,2,…,m),Bj(j=1,2,…,n),Cij的論域均為：{-P, -P+1,…,-1,0,1,…,P-1,P}

對(duì)于偏差a*, 在經(jīng)量化之后, 它必定為對(duì)應(yīng)論域中的某一個(gè)元素, 故a*在量化之后, 它可能為下列任一模糊量Ai(i=1,2,…,2P+1),

對(duì)于偏差變化率b*, 同樣有對(duì)應(yīng)的模糊量Bj根據(jù)已知的模糊量Ai和Bj, 通過(guò)模糊合成運(yùn)算即可求得對(duì)應(yīng)的模糊輸出量Cij, 且

在求取了輸入變量對(duì)應(yīng)的模糊輸出Cij之后, 利用重心法進(jìn)行反模糊化, 可得精確的輸出值。

整個(gè)模糊防碰撞控制系統(tǒng)為具有4個(gè)輸入、1個(gè)輸出的模糊系統(tǒng)。模糊控制器采用 Mamdami模型,相應(yīng)的控制算法可寫(xiě)成如下形式：“Rj： ifSlisAlandS2isA2andS3isA3andS4isA4thenUisA5”。其中,A( =l, 2, … 5)分別為對(duì)應(yīng)變量的模糊語(yǔ)言描述。

通過(guò)上述過(guò)程即可得到一個(gè)反映輸入變量與輸出變量對(duì)應(yīng)關(guān)系的一個(gè)元素, 可將此元素填入控制表的適當(dāng)位置, 通過(guò)類(lèi)似的若干次計(jì)算, 就最終得到了整個(gè)完善的控制表。

如果距離傳感器監(jiān)測(cè)到不遠(yuǎn)處有船舶靠近系統(tǒng)并且在安全距離之內(nèi)或者氣象傳感器監(jiān)測(cè)到天氣比較惡劣, 風(fēng)速超過(guò)一定值時(shí), 系統(tǒng)會(huì)根據(jù)模糊控制算法自動(dòng)計(jì)算出所要輸出的電壓值去驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),使浮標(biāo)自動(dòng)避讓。

3 結(jié)論

針對(duì)目前浮標(biāo)應(yīng)用中存在的安全隱患, 介紹了一種基于模糊控制的海洋浮標(biāo)自動(dòng)防碰撞系統(tǒng)。本系統(tǒng)結(jié)合單片機(jī)及模糊控制理論, 針對(duì)浮標(biāo)在海上的復(fù)雜環(huán)境而難以建立精確的數(shù)學(xué)模型, 提出了一種基于單片機(jī)和模糊控制的避碰方法, 建立了相應(yīng)的控制規(guī)則, 對(duì)浮標(biāo)的自動(dòng)防觸碰技術(shù)進(jìn)行了研究,并進(jìn)行實(shí)時(shí)控制?？刂扑惴ú捎肕amdani查表法, 在軟件設(shè)計(jì)時(shí)只需將控制表事先置入內(nèi)存中供實(shí)時(shí)查詢(xún)用。這樣, 當(dāng)傳感器信號(hào)送入單片機(jī), 經(jīng)模糊控制后, 作出決策, 判斷出存在危險(xiǎn)時(shí), 模糊控制器輸出控制信號(hào), 作用于執(zhí)行器, 使浮標(biāo)及時(shí)避讓, 解決了困擾小型波浪浮標(biāo)大規(guī)模推廣的安全性問(wèn)題。

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Automatic anti-collision system for buoys based on microcontroller and fuzzy control

LIU Su-hua1, LI Si-ren2, XU Yong-ping2
(1. Qingdao Technological University, Qingdao 266520, China; 2. Institute of Oceanology, the Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)

May, 31, 2009

buoys; anti-collision; microcontroller; fuzzy control

The control system of automatic anti-collision for buoys, which was based on microcontroller and fuzzy control, was applied to oceanographic observation in order to prevent the damages caused by collision of the passing ships or bad weather. The system used C8051F340 chip as the core controller. The hardware and software architectures were designed, and data acquisition, processing, analysis, transmission were achieved. The fuzzy logic function of the distance and wind speed signal were analyzed, and the fuzzy control rules and control algorithm are established. The fuzzy controller guaranteed long-term, safe operation of the buoys, and established the foundation of marine measuring instruments to be controlled intelligently.

TP24

A

1000-3096(2010)10-0057-05

2009-05-31;

2010-08-04

國(guó)家 863計(jì)劃項(xiàng)目(2008AA09Z113); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40776061); 山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(Y2008G05)

劉素花(1970-), 女, 山東青州人, 博士研究生, 主要從事檢測(cè)、自動(dòng)控制等方面的教學(xué)與研究, 電話(huà)： 0532-82898737, E-mail：liusuhua@qtech.edu.cn

(本文編輯： 劉珊珊)