嵌入式技術(shù)艦船無(wú)線網(wǎng)絡(luò)智能控制探析

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摘要:常規(guī)系統(tǒng)搭建無(wú)線控制網(wǎng)絡(luò)時(shí)，節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率未達(dá)到最佳，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)吞吐量較低。針對(duì)這一問題，設(shè)計(jì)嵌入式技術(shù)的艦船無(wú)線網(wǎng)絡(luò)智能控制系統(tǒng)。硬件方面，嵌入傳感器至微控制器，通過外圍IO控制、無(wú)線通信等，組成系統(tǒng)框架；軟件方面，抽象處理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用信道，通過節(jié)點(diǎn)相互博弈，確定最佳發(fā)射功率，輸出慣性力矩和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的射出功率，智能控制艦船航速航向。仿真無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)置對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在互訪業(yè)務(wù)和Internet業(yè)務(wù)2種模式下，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，明顯高于常規(guī)系統(tǒng)，擁有更好的網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。

關(guān)鍵詞：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；智能控制；嵌入式；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0引言

在復(fù)雜的海上環(huán)境，海上作業(yè)對(duì)艦船航行提出更高要求，因此，研究無(wú)線網(wǎng)絡(luò)智能控制系統(tǒng)，對(duì)艦船進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)靠泊、自主航行等功能，具有重要意義。文獻(xiàn)[1]利用主配的單獨(dú)饋線，連接艦船設(shè)備和配電箱，引入微分控制概念，比例控制自動(dòng)舵，實(shí)現(xiàn)艦船智能控制，但該方法振蕩行為的控制增益較高，網(wǎng)絡(luò)吞吐量較低[1]。文獻(xiàn)[2]選取模糊控制器，查詢艦船性能指數(shù)，將指數(shù)存儲(chǔ)到矩陣格式，自動(dòng)合成性能特征，形成航向運(yùn)行的控制規(guī)則，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)功能，模擬不同工況條件下的自動(dòng)舵，PID控制艦船航向，但該方法比例系數(shù)的補(bǔ)償效果未達(dá)到預(yù)期，網(wǎng)絡(luò)吞吐量同樣較低[2]。針對(duì)這一問題，結(jié)合以上理論，基于嵌入式技術(shù)，設(shè)計(jì)艦船無(wú)線網(wǎng)絡(luò)智能控制系統(tǒng)，操縱艦船航跡。

1嵌入式技術(shù)的艦船無(wú)線網(wǎng)絡(luò)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1嵌入式控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在微控制器中嵌入傳感設(shè)備，構(gòu)建系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。選取LPC2294型號(hào)微控制器，將TMS26155芯片作為控制系統(tǒng)的主控芯片，該芯片采用哈佛結(jié)構(gòu)，劃分存儲(chǔ)器空間，得到程序存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，主控設(shè)備為電推機(jī)、電機(jī)等，對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行28位浮點(diǎn)型運(yùn)算。通過模擬數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換、外圍IO控制、無(wú)線通信、H橋驅(qū)動(dòng)、電源，組成系統(tǒng)總體框架。模擬數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，選取ADS6291模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過0～10V電壓控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)機(jī)類型選擇直流電機(jī)，采用標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制編碼，在基準(zhǔn)輸入和電源引腳中，加入去耦電容，單極性輸出電壓范圍。轉(zhuǎn)換器和主控芯片通過SPI總線通信，由4根線組成接口引腳，分別為主器件的數(shù)據(jù)輸出、輸入，從器件的數(shù)據(jù)輸出、輸入，主器件的SPI總線時(shí)鐘信號(hào)輸出，從器件的使能信號(hào)輸出[3]。無(wú)線通信模塊采用RS628接口，連接岸基手操盒和工控機(jī)，通過高低電平表示不同的邏輯狀態(tài)，集成元件的通信接口，使用GND，RXD，TXD3種類型引腳，參數(shù)如表1所示。利用串口形式，實(shí)現(xiàn)手操盒和工控機(jī)的無(wú)線通信，并在智能控制單元中，加入無(wú)線數(shù)傳模塊，當(dāng)艦船工況機(jī)故障時(shí)，通過數(shù)傳模塊切換無(wú)線通信協(xié)議，直接控制嵌入式航速航向控制板。至此完成嵌入式控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。

1.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.2.1搭建無(wú)線控制網(wǎng)絡(luò)G搭建無(wú)線控制網(wǎng)絡(luò)，采集、反饋艦船運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通過MAC協(xié)議，動(dòng)態(tài)調(diào)整無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)距離、信道狀態(tài)，將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的連通性考慮在內(nèi)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)剩余能量，定義無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信干燥比，計(jì)算公式為：G=adifi(Smax/Si)U(Smax/Si)+h2。(1)adiifiiUSiiSmaxi其中：為信道帶寬的擴(kuò)頻增益；為節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的鏈路增益；為節(jié)點(diǎn)的接收信干噪；為數(shù)據(jù)傳輸期間，干擾半徑內(nèi)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的干擾總和；為節(jié)點(diǎn)剩余能量；為節(jié)點(diǎn)最大能量。Pi對(duì)節(jié)點(diǎn)使用信道進(jìn)行抽象處理，通過節(jié)點(diǎn)間的相互博弈，確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的最佳發(fā)射功率，功率支付函數(shù)表達(dá)式為：Pi=blog2(1+Di)−W(Di)qi。(2)DiibW(Di)qii其中：為節(jié)點(diǎn)策略空間；為信道上具有同頻干擾的節(jié)點(diǎn)數(shù)量；為策略空間的最大收益；為節(jié)點(diǎn)效用因子[4]。GPi通過信干燥比，使節(jié)點(diǎn)快速收斂到納什均衡點(diǎn)，然后給定功率至每個(gè)節(jié)點(diǎn)，令網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率，構(gòu)成具有絕對(duì)控制中心的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。1.2.2智能控制艦船航速航向建立艦船運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，由無(wú)線網(wǎng)絡(luò)輸出功率，智能控制艦船航速航向。僅考慮航速控制，把艦船姿態(tài)簡(jiǎn)化為三自由度的運(yùn)動(dòng)，構(gòu)建艦船動(dòng)力學(xué)方程，表達(dá)式為：(m+my)v=Iyv+(m+mx)u(Ix+Iz)r=Nr+mzu。(3)IxIyIzxyzmxmymzxyzmvurL式中：，，分別為軸，軸，軸附加的慣性力矩；，，分別為方向，方向，方向的附加質(zhì)量；為艦船質(zhì)量；為縱蕩速度；為橫蕩速度；為首搖角速度。其中附加質(zhì)量為定值，測(cè)量一定航速下，首搖角速度、縱蕩速度、橫蕩速度的變化情況，通過慣性力矩對(duì)航速進(jìn)行調(diào)節(jié)。航向控制方面，分析艦船的偏轉(zhuǎn)抑制性能，求導(dǎo)航向角偏差，公式為：L=tFcc+TFee。(4)cetFcFeT其中：為舵機(jī)的轉(zhuǎn)角；為舵角變化引起的首向角變化；為艦船追隨性參數(shù)；，分別為舵角，首向角受到的電機(jī)驅(qū)動(dòng)；為艦船旋回性參數(shù)。通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)射出功率，調(diào)整電機(jī)驅(qū)動(dòng)，改變舵角和首向角，智能控制艦船航向。至此完成艦船航速航向的智能控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，結(jié)合硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，完成嵌入式技術(shù)的艦船無(wú)線網(wǎng)絡(luò)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2仿真實(shí)驗(yàn)

將此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)，與常規(guī)艦船無(wú)線網(wǎng)絡(luò)智能控制系統(tǒng)，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，比較2組系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

2.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

測(cè)試環(huán)境使用NS2軟件，擴(kuò)展后得到AODV路由協(xié)議和OLSR路由協(xié)議。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中包含25個(gè)節(jié)點(diǎn)，在所有節(jié)點(diǎn)上配置兩塊無(wú)線網(wǎng)卡，節(jié)點(diǎn)使用RandomWaypoint運(yùn)動(dòng)模型，分別在AODV信道和OLSR信道工作，2條信道互不干擾，仿真參數(shù)如表2所示。針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)2種業(yè)務(wù)模式，進(jìn)行仿真測(cè)試，隨機(jī)產(chǎn)生信道分配方案，每組測(cè)試場(chǎng)景進(jìn)行100次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取100次實(shí)驗(yàn)平均值。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

R在互訪業(yè)務(wù)模式和Internet業(yè)務(wù)模式下，測(cè)試2組系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，計(jì)算公式為：R=∑i∈25AiKi。(5)其中：Ki為節(jié)點(diǎn)i數(shù)據(jù)發(fā)送成功率；Ai為節(jié)點(diǎn)i數(shù)據(jù)發(fā)送速率。設(shè)置仿真時(shí)間為500s、數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為500B，改變數(shù)據(jù)流發(fā)送速率為5～20包/s，仿真結(jié)果如表3所示。由表3可知，Internet業(yè)務(wù)和互訪業(yè)務(wù)的仿真結(jié)果基本一致，互訪模式下，設(shè)計(jì)系統(tǒng)平均吞吐量為97.22kb/s，常規(guī)系統(tǒng)平均吞吐量為78.51kb/s，設(shè)計(jì)系統(tǒng)吞吐量提高了18.71kb/s，Internet模式下，設(shè)計(jì)系統(tǒng)和常規(guī)系統(tǒng)的平均吞吐量，分別為102.41kb/s和80.60kb/s，設(shè)計(jì)系統(tǒng)吞吐量提高了21.81kb/s。設(shè)置數(shù)據(jù)流發(fā)送速率為10包/s，改變數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為400～700B，仿真結(jié)果如表4所示。由表4可知，互訪模式下，設(shè)計(jì)系統(tǒng)和常規(guī)系統(tǒng)的平均吞吐量，分別為130.40kb/s和102.05kb/s，設(shè)計(jì)系統(tǒng)吞吐量提高了28.35kb/s，Internet模式下，設(shè)計(jì)系統(tǒng)和常規(guī)系統(tǒng)的平均吞吐量，分別為145.60kb/s和114.29kb/s，設(shè)計(jì)系統(tǒng)吞吐量提高了31.31kb/s。綜上所述，設(shè)計(jì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)吞吐量，明顯高于常規(guī)系統(tǒng)，擁有更好的網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，能夠滿足艦船不同類型業(yè)務(wù)的技術(shù)要求。

3結(jié)語(yǔ)

此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)充分發(fā)揮了嵌入式的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)時(shí)，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐性能。但此次研究仍存在一定不足，在今后的研究中，會(huì)深入分析跨層協(xié)議特性，將安全因素考慮在內(nèi)，保證傳輸性能的同時(shí)，提高艦船無(wú)線網(wǎng)絡(luò)防御機(jī)制。

參考文獻(xiàn)：

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作者:張婷婷 單位:山東管理學(xué)院信息工程學(xué)院山東省高等學(xué)校中醫(yī)藥數(shù)據(jù)云服務(wù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室