基于CAN總線的UUV通信系統與仿真

楊培培，趙詩雅，劉瑞勇，付登昊，李 闖

（三峽大學，湖北 宜昌 443000）

0 引 言

無人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）是一種新概念水下機器人，具備無人控制，自主導航與控制，自帶能源，帶有執行機構和推進系統等特點。它主要應用于海洋資源的勘測與開發、水下救援等方面，同時也是一種水下兵器，利用UUV可以進行水下偵查、遙控獵雷和作戰等。目前，UUV的各個執行系統、傳感器等電氣控制部件大量采用嵌入式處理器，系統的性能已臻于完善。但由于UUV內部控制部件之間的互聯接口標準不統一，連接過于復雜，限制了UUV系統的兼容與擴展性。因此采用統一的通信及接口協議，并進行模塊化，才可以滿足UUV任務多而復雜的系統重構。

CAN總線技術是由BOSCH公司開發的最初用于汽車的局域網信息傳輸，其數據傳輸速率為1 Mbit／s，已經能滿足UUV系統內部局域網控制信息的傳輸要求。本文論述了以CAN總線技術為通信基礎的UUV航向和深度控制的半實物仿真系統的功能實現，并給出了UUV航向和深度控制的半實物仿真結果。

1 UUV控制系統的體系構架

UUV在水下自主航行時，利用多普勒計程儀（DVL）、慣性導航系統（INS）共同組合導航來獲取UUV的運動信息，中央控制單元對這些信息進行處理和決策。基于CAN總線通信的UUV整體構架如圖1。系統包括中央控制單元、舵機系統、水聲通信、主推進器系統、組合導航系統、深度計、GPS接受系統和信息采集系統等。系統應用了CAN總線技術實現其內部的連接。

圖1 UUV信息系統整體結構

中央控制單元作為所有系統的主機，處理著來自CAN總線上各個系統的數據，負責與各個執行機構控制器、傳感器和其他部件進行狀態的查詢和指令的下達，并且對整個CAN總線進行監控。當CAN總線上出現故障信息，中控應及時對故障進行判別和處理。UUV控制分為有纜控制和自主航行控制。這里研究的是自主航行控制。

2 CAN總線標志符設計

為了實現UUV模塊化設計，滿足無人水下機器人實時操作及自主控制的需要，確保無人水下機器人航行的安全性、可靠性，需要搭建合理的底層通信網絡。本文基于CAN通信采用Peli－CAN模式，在Peli－CAN工作模式下，獨立的CAN總線收發器SJA1000增加了一個包含很多個寄存器的組。為了實現CAN總線上各個部件之間的通信，采用了具有CAN接口的PC計算機進行模擬UUV各個部件，建立了一個由各個執行機構互聯的仿真平臺。CAN總線通信的核心是報文的標志符（ID）、節點和仲裁機制。并且支持CAN2.0B協議規定的所有功能，其幀格式是包括29位標識碼的擴展幀，報文在傳輸的時候有四種不同的幀類型：數據幀、遠程幀、錯誤幀和過載幀。其中數據幀和遠程幀能夠運用標準幀（11位標識符）和擴展幀（29位標識符）兩種格式，一個幀間間隔將它們與前面的幀分開。該通信標準定義為：標識符由ID.0—ID.28組成，11位基本的ID、18位擴展ID為其結構所包括的兩個部分［1，2］。其中基本ID發送的順序是以ID.28—ID.18的順序發送的，它近似于標準標識符的格式，擴展幀的基本優先權由基本ID定義。擴展ID發送時以ID.17—ID.0的順序發送［3，4］。

3 UUV航向、深度控制仿真

3.1 UUV航向控制模型

航向控制模型框圖如圖2所示。航向控制器接收到航向設定的信號ψs，并且與來自慣導測量得到的無人水下航行器（UUV）此時的實際航向角信號ψT進行比對，得到了二者的偏差，程序中再調用航向控制算法，計算出應該給的舵角信息和操舵指令Us。與此同時舵機控制器給方向舵發命令操舵，從而算出應該給的舵角信息并算出操舵指令Us，舵機控制器給方向舵發命令操舵，從而達到操舵的目的。并且將反饋信息T發給中央控制單元。正常情況下，在舵效的作用下，UUV會向著設定的航向角度轉動，慣導測量出此時的航向并將結果反饋給中控以此構成閉環控制。

圖2 航向控制模型框圖

3.2 深度控制模型

深度控制模型由深度控制算法、圍殼舵、艉水平舵、深度計、慣導等組成，如圖3所示。

圖3 深度控制模型框圖

就這個模型而言，深度控制器主要把UUV預先設定的深度Zs與深度計實際測量得到的當前深度ZT進行比較得到偏差值，并且結合慣導測出的俯仰角和深度控制算法利用這些信息進行處理，向舵機控制器發送偏差指令，與此同時執行機構執行命令，讓無人水下航行器向設定的深度運動，并反饋給中央控制單元，從而形成閉環控制。

3.3 半實物仿真系統

基于CAN總線技術的航向，深度控制半實物仿真系統結構如圖4。仿真機建立UUV的模型，包括六個自由度的受力模型以及動力系統、浮力、均衡模型，并對UUV的6自由度非線性模型進行仿真解算；采用半實物模擬機構，即三軸轉臺，直觀地體現給定艉水平舵、艉垂直舵、圍殼舵舵角時，三軸轉臺的運動狀態，分析反饋數據的正確性。在UUV預編程航行及自主航行時，觀察三軸轉臺的變化過程，分析其合理性。通過中央控制單元輸入的UUV定深航行的深度，模擬定深航行過程，分析到達預定深度的仿真波形圖；通過中央控制單元輸入UUV的航向，模擬定向航行過程，分析到達預定航向的仿真波形圖。

圖4 半實物仿真結構圖

4 半實物仿真結果

UUV的航向、深度控制算法考慮到垂向速度以及俯仰角速度，由于UUV的排量較大，航速比較低，機動性能比較小，因此用圍殼舵和艉水平舵共同完成下潛和上浮運動。而且UUV由水面下潛到目標深度，并保持設定航向，這是UUV重要的動態工作過程。

圖5是采用圖4所示的半實物仿真系統進行無人水下航行器的下潛和爬升能力的仿真。圖5主要給出了深度變化曲線、航向角變化曲線、俯仰角曲線和垂向速度曲線。

圖5 UUV定深20m，即深度從0變深到20m的航行曲線

此次定向定深航行過程中第240 s時航行深度第一次達到20 m，之后60 s發生了超調，超調量0.8 m左右，第400 s時航行深度收斂于20 s的設定深度值，具有較好的深度控制效果；由圖（b）可以看出，UUV在0到100的范圍內產生了一個大的俯仰角，在200 s時俯仰角為0，此時系統檢測深度未到20 m，再次產生埋首的效果，直到第400 s系統深度到達20 m，實驗艇開始抬首，此時抬首產生了一定的超調量。圖（c）中定向航行中航向角偏差不大。圖（d）中也對定深航行過程中（0到400 s的時間內）的垂向速度進行了分析，可以看出，在340 s左右，垂向速度由正值向負值過渡，以抵消超調。

5 結 論

通過對UUV半實物仿真的結果進行分析，無人水下航行器的下潛過程工作穩定，說明基于CAN總線UUV通信的航向、深度控制滿足系統設計要求。采用CAN總線的無人水下航行器分布式控制系統的擴展性，可靠性得到有效地提高，有利于縮短了UUV的研制周期，提高了UUV各個電子部件的更新換代能力。滿足UUV的多任務要求，可以使整機系統具有良好的通信性能，具有重要的理論意義和廣泛的應用前景。

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