自主水下航行器內部通訊總線設計*

呂志剛 曹曉霖

(中國船舶重工集團公司第七一○研究所 宜昌 443003)

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自主水下航行器內部通訊總線設計*

呂志剛 曹曉霖

(中國船舶重工集團公司第七一○研究所 宜昌 443003)

設計了基于CAN、RS422/232通信協議的AUV內部通訊總線系統,系統使用的中央控制單元通信板具有模塊化、可配置性強等特點,滿足AUV系統對其內部通訊總線的開放性要求;自主水下航行器由若干個執行機構組成,對應于不同的CAN總線節點,用CAN總線構成分布式控制系統取代集中式控制系統,從而實現實時通信,試驗結果表明,該總線結構可使AUV系統的通信電纜得到有效精簡,并使AUV系統獲得較好的通信性能。

控制器局域網; 自主水下機器人; 分布式控制; 網絡通信

Class Number TB556

1 引言

自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)是一類無人控制、自帶能源、自主導航與控制、自動力推進和自主作業的水下機器人,主要應用于海底圖像采集、海洋環境監測、海洋資源探測與開發、水下救援和打撈等方面,也是一種有效的水中兵器,代表未來水下機器人技術的發展方向。

水下機器人控制系統一般分為集中式控制系統和分布式控制系統,集中式控制系統過分依賴中央控制單元,整個控制系統可靠性低;分布式控制系統在使用范圍、可擴展性、控制速度、系統模塊化、可維護性等方面具有明顯優勢[1～2],有利于系統的拆卸、裝配和調試,系統的開放性、可靠性和魯棒性也有所增強。目前AUV底層通信一般采用集中式控制,其通信協議完全依賴軟件的支持,系統通信軟件負擔較重;并且在沒有可靠的總線競爭仲裁與幀重發機制的情況下,數據丟失率與總線數據的流通量成正比,有時甚至會導致整個通信網絡的癱瘓。

AUV由大量傳感器和執行機構組成,它們與中央控制單元的通訊接口協議多種多樣,這就要求AUV內部總線通訊協議具有很好的開放性,可以滿足不同的通訊接口協議的使用要求,甚至便于接入帶有不可預見通訊協議的傳感器設備。

2 總線設計

2.1 總體架構

整個總線系統由中央控制單元、電源測控裝置、電源管理系統、傳感器和各執行機構控制器等節點組成。各分布式控制節點通過CAN、RS422/232通信總線與中央控制單元進行連接,并通過自身的總線通信模塊與其進行數據傳輸,中央控制單元是整個AUV內部通訊的核心部件,負責與各傳感器、執行機構控制器和其它部件進行狀態的查詢和指令的下達,并對總線系統進行監控,當總線系統上發生系統性的故障時對故障進行判別并做出相應的應急處理。

從控制軟件的角度來看,可將AUV控制系統分為現場控制級、協調控制級和組織控制級[3],分層控制可降低AUV系統控制的復雜性,并大大提高了各節點控制軟件的獨立性,使得AUV系統各控制節點的軟件具有很好的模塊性,便于AUV系統中各節點的調試、裝配和維修。

2.2 CAN通訊協議的采用

網絡的拓撲結構主要有總線網、網狀網、樹型網、環型網等[6～7]。這幾種拓撲結構各有優缺點,具體說明如表1所示。

控制器局域網(CAN)是一種多主方式的串行通訊總線,能有效地支持具有很高安全等級的分布式實時控制,其傳輸速度最高可達1Mbits/s,并且CAN通信具有公開的技術規范,滿足不同設備之間的兼容性需求;CAN通信的整個協議均由一塊芯片以及軟件來運行,類似于一個增強的多信道UART,所有錯誤檢測傳送和接收技術都能夠用CAN控制芯片的硬件來執行。

AUV內部通訊總線的工作環境與汽車內部通訊總線之間具有很多相似之處,比如機械震蕩、強電磁干擾等。CAN通信總線在汽車行業和機器人內部通訊系統中已得到廣泛的應用,因此在我們的AUV系統內部通訊總線設計中采用CAN通訊協議。

2.3 控制系統硬件設計

某型AUV系統設計中大部分執行機構控制器的核心控制芯片均采用了微芯公司dsPIC30F6014A單片機,該芯片混合了高速運算能力和MCU高性能控制特性于一體,提供了許多外設,包括:16位比較/PWM輸出功能、數據轉換接口(DCI)、UART模塊、兩個CAN總線模塊、3線SPI模塊、16位捕捉輸入功能、12位模數轉換器等,其功能組成模塊示意圖見圖1所示[4]。總控制節點硬件結構通過PC104板中集成的CAN通信接口連接到CAN總線網絡中,總控制節點通過調用隨PC104主板卡提供的CAN模塊驅動涵數,來實現CAN通信的管理和監控。

圖1 主控制器功能組成模塊

dsPIC30F6014A芯片內集成了CAN控制器,但要完成數據幀的收發功能還需外加MCP2551[5]CAN驅動芯片。為了增強AUV內部通訊抗電磁干擾能力,在dsPIC30F6014A的CTX和CRX引腳與MCP2551驅動器之間增加高速光電耦合器6N137,圖2是執行機構控制節點的硬件原理框圖,圖中的控制芯片dsPIC30F6014A除實現CAN通訊外,還控制執行機構動作及查詢其相關狀態。

圖2 執行機構控制節點硬件結構圖

2.4 CAN通訊協議

CAN通信的數據傳輸屬于數據流的串行通信方式,通過串行總線將各個CAN通信節點連接[8]。本系統的CAN總線通信采用主從模式,由主節點即總控制節點:中央控制單元;從節點即執行機構控制器:由電源測控裝置、電源管理系統及各執行機構控制器等組成。由于設備較多,為了提高通信的可靠性,降低總線的通信負載,采用兩條總線進行通信。中央控制單元與各設備的總線拓撲結構如圖3、圖4所示。

圖3 CAN總線1電氣網絡圖

圖4 CAN總線2電氣網絡圖

對于CAN總線各系統的地址即為CAN總線各系統節點的ID號。由于CAN總線通信中的各個節點ID號不僅代表該節點地址,同時還代表該節點的通信優先級,基于該特點并結合運載平臺各CAN通信節點的重要性和通信的頻繁性,采取高通信低優先級,低通信高優先級原則,在對ID號進行地址分配時將總控制節點的ID號分配最高優先級。總控制節點與各分控制節點的通訊協議如表2所示。

表2 總節點與各分節點的CAN通訊協議

為了保證AUV系統中CAN總線通訊的快速性、可靠性和正確性,總控制節點與各分控制節點的通訊數據格式必要滿足如下四個方面的要求: 1) CAN通訊總線上只發送和接收標準幀且為數據幀,即各系統節點的ID號均為11位的數據幀; 2) CAN通訊總線上發送的數據幀分為三種類型:動作指令幀、查詢幀、狀態反饋幀。動作指令幀是用于總節點向各分節點下達動作指令的數據幀[9];查詢幀是用于總節點向各分節點下達查詢各系統當前狀態的數據幀[10];狀態反饋幀用于各分節點向總節點反饋當前工作狀態的數據幀; 3) 總節點不論發送動作指令幀還是查詢幀,各分節點都要反饋當前的狀態; 4) 本通訊總線采用主從方式通信結構,即在總節點不發送動作指令幀或者查詢指令前,各分節點不自動發送狀態反饋幀。

2.5 CAN通訊軟件設計

系統中各個分控制節點通過CAN通訊總線接收命令和反饋當前狀態,實現與總控制節點通信,從而實現相應的功能和狀態的反饋,各份節點的軟件設計是基于MPLAB_C30軟件編譯器編寫的,程序主要由CAN初始化、發送數據、接收數據和指令執行四部分組成。

各分節點的軟件設計采用中斷方式進行數據的接收,總線上各分控制節點接收總線上傳給本節點的數據時,首先觸發CAN接收中斷,在中斷中對接收數據進行身份檢驗,對于符合傳輸協議的數據進行接收,否則不予接收。對于通過的數據進行進一步的區分,首先判斷該指令的類別(查詢指令、動作指令和與目前狀態不相符合指令),然后按照相應的軟件流程繼續執行,各分控制節點軟件指行流程圖如圖5所示。

圖5 軟件執行流程圖

3 結語

基于CAN總線通訊的分布式控制技術滿足設計者在產品設計和使用過程可以自行制定高層通信協議的要求,為設計過程中的硬件配置和調試帶來方便,同時方便的連接方式和良好的可擴展性使得AUV設計時能夠按艙段進行功能劃分。另外,CAN總線能夠按照通訊信息的重要程度由高至低的優先級進行劃分,保證了CAN總線運行的可靠性和快速性。

經試驗證明系統通過總控制節點的模塊化、可配置性設計滿足了AUV系統對其內部通訊總線的開放性要求。并且總控制節點內部的容錯處理能力以及總控制節點內部應急處理模塊的設計增強了AUV系統的可靠性和容錯能力,為避免AUV在試驗過程復雜工作環境下的丟失,提供有力的保障措施。

總之,基于CAN總線的分布式控制技術的諸多優點吸引我們把基于CAN總線通訊的分布式控制技術引入到AUV系統設計中來,代表了AUV控制系統的發展方向。

[1] 候魏.自主水下航行器建模與控制系統研究開發[D].天津:天津大學,2004.

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[3] Ridao P, Yuh J. On AUV control architecture[C]//Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and System. Piscataway, USA: IEEE,2000:855-860.

[4] Microchip Company. dsPIC30F6014A User Manual[M]. Chandler: Microchip Company,2006.

[5] Microchip Company. MCP2551 User Manual of High-Speed CAN Transceiver[M]. Chandler: Microchip Company,2002.

[6] 陽憲惠.現場總線技術及應用[M].北京:清華大學出版社,1999.

[7] 羅雪梅,黃明琪.現場總線的物理層與數據鏈路層[J].貴州:貴州工業大學學報(自然科學版),2002(3).

[8] Sanfridson M. Timing Problems in Distributed Real-time Computer Control Systems[R]. Stockholm: Technical Report of Mechatronics Lab Department of Machine Design Royal Institute of Technology,2000.

[9] Eker J, Hagander P, Arzen K E. A Feedback Scheduler for Real-time Control Tasks[J]. Control Engineering Practice,2008(12):1369-1378.

[10] Shi G Y. A Genetic Algorithm Applied to a Classic Iob-shop Scheduling Problem[J]. International Joural of System Science,1997(1):25-32.

Inner Communication Bus of AUV

LV Zhigang CAO Xiaolin

(No. 710 Research Institute, CSIC, Yichang 443003)

A communication bus system based on CAN(controller area network), RS422/232 protocol, which is internal communication bus system and meets the openness of AUV system is designed. A central control unit communication board that used by system has characteristics of modular, configurable and so on. AUV is composed of a number of actuators, corresponding to different CAN communication nodes. The structure of centralized control system is replaced by this kind of multi-node distributing control system, and the real time communication by CAN bus is realized. The experiments illustrate that the amount of communication wire can be reduced by implementing this king of structure, and the communication performance for the AUV system can be promoted remarkably.

controller area network, autonomous underwater vehicle, distributing control, network communication

2014年9月4日,

2014年10月23日

呂志剛,男,碩士,工程師,研究方向:水中兵器學。曹曉霖,女,編輯,研究方向:水中兵器學。

TB556

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.016