0 前　言

无人船作为一个智能化、网络化、无人化的海上航行装备，对海洋工程的发展具有很大的实用价值。无人船的控制系统是无人船的核心组成部分，不仅需要对总系统的设计框架进行研究，也要细化每一个子系统的细节，从而满足无人船控制系统的设计^[1-3]。

DSP芯片涉及领域较广，其中与无人船较为相似的就是汽车的无人驾驶，DSP芯片目前在汽车安全和无人驾驶领域取得了不小的成绩，可以参考相关的参数设备为无人船的设计提供方向，对比DSP系统的几个板块发现，DSP5300相比其他更适合无人船的控制系统设计。

1 DSP5300在无人船控制系统中的优势分析 1.1 DSP5300应用领域

DSP是数字信号处理技术的缩写，而DSP5300则是DSP系统中的一种，由于其在应用的过程中具备快速的微处理能力，因此使得DSP5300在船舶的处理信息时效性上，凸显出了较为强大的优势，在船舶相关的海洋工程领域得到了较为广泛的应用。

DSP5300的应用领域大致可以体现在以下几个方面：

1）DSP5300芯片凭借着尤为突出的实时效果，在多媒体通信领域应用广泛；

2）工业机器在工业领域的广泛应用也使得机器的控制系统越来越高，特别是对实时性的要求更高，因此需要使用高性能的DSP5300，这样机器的运行速度就会更快一些；

3）DSP5300存储空间强大，仪器仪表需要较高的测量精度和速度，而DSP5300则能使这2项指标在性能上有较大的提升；

4）DSP5300由于耗能低、体积小的特点，在军事领域的武器上也得到了应用^[4-6]。

1.2 DSP5300的优缺点

随着科技的发展，目前不少科研团队在技术层面上也对DSP芯片提出了高要求，如缩小DSP5300芯片的大小。随着新工艺的投入，可以将多个芯片整合在一起。然而随着集成电路的发展，以及未来程序化的东西越来越多，未来的主导产品将是可编程的DSP5300系统，DSP5300系统能满足船舶工业的多样化应用。

除了DSP芯片外还有FPGA芯片，也是目前芯片市场的主要产品，2个芯片各有各的优点：对于条件众多以及控制量复杂的多进程任务，显然DSP5300更为适合。而且还可以提前利用FPGA进行更大规模的组合逻辑电路设计，从而更加迅速的完成这些复杂的时序逻辑功能。相比于FPGA，DSP芯片除了具备一定的灵活度外，在通用性上却不占优势。不过不同的芯片在应用领域的侧重点各有不同，DSP5300芯片在未来的发展中，更加具备应用潜力。而无人船的控制系统，是一个较为理想的发展方向。

2 基于DSP5300的无人船控制硬件系统设计

无人驾驶船舶的控制系统设计分为几个方面，其中比较重要的是总系统框架、下位机系统、网络通信与导航、信息收集系统、动力系统。

2.1 系统组成

无人船控制系统的设计主要围绕平台系统与任务载荷系统展开，并通过通用的接口将两者整合在一起。图1为无人船控制系统的6个分系统，其在应用实践中均可单独运行。无人船中包含联网系统和平台系统。平台系统主要负责对无人船进行控制，包括动力系统、感知系统以及控制系统。感知系统就如同无人船的眼睛一样，对当前周围的环境进行探测，动力系统负责为无人船提供动力，控制系统则根据当前感知的情况以及预先设置的指令进行运动。

联网系统可以将不同的无人船进行组队控制，做到信息共享，使得无人船更容易组成一个编队，同时也可以做到和大型海面舰艇平台进行通信，具备远程通信和控制功能。

2.2 硬件设计实现方案

无人驾驶船舶控制系统将DSP5300作为直流电机、舵机等无人驾驶船舶设备的主控处理芯片，通过利用卫星导航系统，对无人船的控制进行定位，目前国内比较成熟的卫星导航系统是北斗卫星导航系统。该设计主要是通过北斗卫星定位无人船的位置以及运动状态，然后通过GPRS来进行船舶控制数据的传输。无人船因为安装了DSP5300芯片，可以通过电脑终端接收传递的信号进行操作以实现对无人船的控制，系统总体设计方案图如图2所示。

2.3 无人船运动信息采集

无人船的运动信息采集主要包括2个方面：一个是电子罗盘，另一个是卫星导航。通过DSP5300模拟接口，实现罗盘与主芯片的通信。通过利用北斗卫星导航系统的精确定位来实时导航，还可以精确的接收到无人船的运动信息。

利用DSP5300作为核心处理器的优势，可以利用PWM控制船舶的偏转角度，从而可以更加精确控制船舶的航向。还可以与主芯片进行并行连接控制电路，所以可以对无人船运动的速度进行控制，航行中还可以通过GPRS的远程通信功能实现与服务器的信息传输，使得对无人船的控制更为精确及时，可操作性更高。运动控制系统框架图如图3所示。

3 无人船控制上位机软件系统设计 3.1 DSP5300的内存读取方式

无人船的驱动系统中，引入DSP5300使其具有较强的指令及控制功能，且具有强大的内存管理，也可以通过DSP5300芯片，设置虚拟地址映射实际物理地址，从而实现外部硬件对内部内存的访问。

3.2 传感功能实现

DSP5300具有强大的内存空间，在无人船驱动系统中，技术人员也可以灵活使用各种元器件，以此获取更多精确可靠的信息，完成无人船运行的任务。可以使用数字温度传感器与DSP5300芯片结合，精准监测目标的湿度和温度，满足数据采集和温度环境的监测要求。

3.3 控制信号的传输

优化下位机控制系统是无人船驱动系统中比较重要的板块，下位机控制系统包含几个子控制中心，所以可以采用不同型号的集成控制板，满足对下位机系统的控制。DSP5300有极高的集成度，可以将DSP5300与GPRS相结合进行编程，实现无人船与终端的通信。此外还可以优化嵌入系统，将硬件和程序相结合更好处理下位机管理机制。

3.4 控制系统的优化

在无人船驱动系统中最重要的就是无人船的控制模式，需要合理的控制模式实现无人船的航行任务，所以提升控制系统的可靠性和有效性尤为重要。芯片是优化这些模式的关键板块，DSP5300芯片具有大储存、及时性、小巧性以及较高的适配性，能够强化传感器之间的通信，对数据也有及时的控制，所以可以利用DSP5300实现对无人船系统的优化，从而满足无人船智能化控制的需求。无人船优化控制调度流程如图4所示。

在船舶控制系统进行优化控制的过程中，也可以借助各种模型进行更加精确的计算，根据船舶运动的动量定理可得到优化控制方程为：

$ {F_s} = {F_1} = \rho qv\cos \theta \text{，} $

由伯努利方程可以求得无人船的运动速度为：

$ v = {C_v}\sqrt {\frac{2}{\rho }\Delta p} \text{。} $

其中： $ {C_v} $ 为无人船速度系数； $ 、\rho $ 为航行水体的密度； $ \Delta p $ 为螺旋桨两侧的压差。

通过无人船侧面的水流量为：

$ q = {C_d}W{x_v}\sqrt {\frac{2}{\rho }\Delta p} \text{，} $

综合可得到如下舵角控制函数为：

$ Fs = 2{C_v}{C_d}W{x_v}\Delta p\cos \theta = {K'_f}{x_v} \text{。} $

其中， $ d $ 为螺旋桨的直径。

对于无人船的螺旋桨进行操作时会产生一定的压力差，通过下面方程可得到：

$ \Delta p = \frac{{{p_s} - {p_l}}}{2} \text{，} $

获得的推进动力适应度函数为：

$ Fs = 0.43W({p_s} - {p_l}){x_v} = {K_f}{x_v} \text{，} $

其中， $ {K_f} $ 为无人船的推进系数。无人船优化控制适应度分布图如图5所示。

4 结　语

DSP5300应用非常广泛，本文结合卫星导航和GPRS无线网络对无人船进行精确控制。随着相关学术研究的深入，在未来的船舶产业上，还可以将DSP5300芯片与采用DSP+FPGA结构的FPGA芯片相结合，使其在航运领域更具灵活性、通用性，并能更好地满足处理复杂算法的需求。