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嵌入式技術(shù)艦船無線網(wǎng)絡(luò)智能控制探析

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嵌入式技術(shù)艦船無線網(wǎng)絡(luò)智能控制探析

摘要:常規(guī)系統(tǒng)搭建無線控制網(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。針對這一問題,設(shè)計(jì)嵌入式技術(shù)艦船無線網(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)動的射出功率,智能控制艦船航速航向。仿真無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),設(shè)置對比實(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)對艦船航行提出更高要求,因此,研究無線網(wǎng)絡(luò)智能控制系統(tǒng),對艦船進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控,實(shí)現(xiàn)自動靠泊、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)存儲到矩陣格式,自動合成性能特征,形成航向運(yùn)行的控制規(guī)則,在無線網(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),劃分存儲器空間,得到程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間,主控設(shè)備為電推機(jī)、電機(jī)等,對外圍設(shè)備進(jìn)行28位浮點(diǎn)型運(yùn)算。通過模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換、外圍IO控制、無線通信、H橋驅(qū)動、電源,組成系統(tǒng)總體框架。模擬數(shù)字信號轉(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)動器,驅(qū)動機(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)鐘信號輸出,從器件的使能信號輸出[3]。無線通信模塊采用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)的無線通信,并在智能控制單元中,加入無線數(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搭建無線控制網(wǎng)絡(luò)G搭建無線控制網(wǎng)絡(luò),采集、反饋艦船運(yùn)動狀態(tài)。通過MAC協(xié)議,動態(tài)調(diào)整無線網(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)成具有絕對控制中心的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。1.2.2智能控制艦船航速航向建立艦船運(yùn)動坐標(biāo)系,由無線網(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)簡化為三自由度的運(yùn)動,構(gòu)建艦船動力學(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;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,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)艦船無線網(wǎng)絡(luò)智能控制系統(tǒng),進(jìn)行對比實(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。無線網(wǎng)絡(luò)中包含25個節(jié)點(diǎn),在所有節(jié)點(diǎn)上配置兩塊無線網(wǎng)卡,節(jié)點(diǎn)使用RandomWaypoint運(yùn)動模型,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。針對無線網(wǎng)絡(luò)2種業(yè)務(wù)模式,進(jìn)行仿真測試,隨機(jī)產(chǎn)生信道分配方案,每組測試場景進(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

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,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),提高艦船無線網(wǎng)絡(luò)防御機(jī)制。

參考文獻(xiàn):

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[4]吳永華.智能技術(shù)在電力系統(tǒng)自動化中的應(yīng)用[J].電子技術(shù),2020,49(12):120–121.[4]

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

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