與傳統(tǒng)的纜控水下航行器(ROV)相比，自主水下航行器(AUV)具有如下特點(diǎn)：(1)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，活動(dòng)范圍大，可沖破人工潛水極限進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行接近觀測(cè)；(2)體積小，使用方便，便于布放和回收；(3)可根據(jù)水聲信號(hào)遙控或預(yù)置程序控制，按要求進(jìn)行相關(guān)項(xiàng)目觀測(cè)；(4)有自主動(dòng)力，水下運(yùn)行時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，有源噪聲低等。

因水下機(jī)器人裝配有大量傳感器，要求控制系統(tǒng)具有較高的處理速度，又因開發(fā)費(fèi)用較高，必須具有很好的可擴(kuò)展性來改變測(cè)量裝置以實(shí)現(xiàn)多功能。分布式控制系統(tǒng)在適用范圍、可擴(kuò)展性、控制速度、系統(tǒng)模塊化、可維護(hù)性、抗單點(diǎn)故障等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，是極佳的選擇。

圖1所示為本文開發(fā)的基于CAN總線的分布式水下機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。CAN總線具有如下特性：(1)實(shí)時(shí)性高。多主站工作方式，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸率高(1Mbit/s)；(2)檢錯(cuò)和糾錯(cuò)機(jī)制強(qiáng)。發(fā)送信息損壞自動(dòng)重發(fā)，采用獨(dú)特的非破壞總線仲裁技術(shù)，有CRC及其它校驗(yàn)；(3)連接簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展性強(qiáng)，開發(fā)方便。通訊協(xié)議與開放系統(tǒng)互連模型OSI一致，應(yīng)用層協(xié)議可有用戶自己定義。

圖1　水下機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)由各個(gè)功能節(jié)點(diǎn)通過CAN總線連接構(gòu)成，各節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間并行工作，只在必要時(shí)與中央控制節(jié)點(diǎn)通訊。其中的執(zhí)行節(jié)點(diǎn)直接控制AUV的現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)AUV的功能實(shí)現(xiàn)性起著至關(guān)重要的作用。在研究開發(fā)的AUV中，執(zhí)行節(jié)點(diǎn)除完成CAN通信外，還有以下幾個(gè)主要功能：(1)航行速度控制功能。其執(zhí)行部件為一三葉螺旋槳，產(chǎn)生主推力；(2)航行方向控制功能。執(zhí)行部件是一對(duì)垂直舵；(3)航行深度控制功能。實(shí)現(xiàn)深度控制與縱傾控制，執(zhí)行部件是一對(duì)水平舵；(4)傳感器模塊的旋轉(zhuǎn)調(diào)平控制功能，實(shí)現(xiàn)部分傳感器位姿調(diào)整。其中，(1)為速度伺服控制系統(tǒng)，(2)，(3)，(4)為位置伺服控制系統(tǒng)，均由無刷直流伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

執(zhí)行節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

CAN接口設(shè)計(jì)
節(jié)點(diǎn)主芯片選用Philips公司的P87C591，其兼容80C51指令集，并成功的集成了Philips公司的SJAl000CAN控制器，該嵌入式CAN控制器具有以下特點(diǎn)：(1)完全符合CAN210規(guī)范，控制CAN幀的接收和發(fā)送；(2)CAN接口包含5個(gè)實(shí)現(xiàn)CPU與CAN控制器連接的特殊功能寄存器。對(duì)重要CAN寄存器的訪問通過快速自動(dòng)增加的尋址特性和對(duì)特殊功能寄存器的位尋址來實(shí)現(xiàn)；(3)CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū)能夠保存一個(gè)完整的CAN信息幀(擴(kuò)展或標(biāo)準(zhǔn)幀)，只要通過CPU啟動(dòng)發(fā)送，信息就從發(fā)送緩沖區(qū)傳輸?shù)紺AN內(nèi)核模塊；(4)當(dāng)接收一個(gè)信息時(shí)，CAN內(nèi)核模塊將串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)津?yàn)收濾波器，通過此可編程濾波器，P87C591確認(rèn)接收需要的信息。

圖2所示為以P87C591為核心的CAN節(jié)點(diǎn)接口電路。P1.0，P1.1分別對(duì)應(yīng)CAN的收(RXDC)和發(fā)(TXDC)線，通過高速光耦(6N137)與總線實(shí)現(xiàn)光電隔離。CAN收發(fā)器選用Philips的P82C250，以差分方式發(fā)送，CAN總線末端加124的終端匹配電阻。

圖2　CAN總線接口電路

無刷直流伺服系統(tǒng)構(gòu)建
根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合，選擇了瑞士Maxon公司的EC系列無刷直流伺服電機(jī)(DCBrushless ServoMotor)，其滿足以下要求：(1)電機(jī)重量輕，體積小，這在水下潛器設(shè)計(jì)中是十分關(guān)心的問題，而且轉(zhuǎn)動(dòng)慣量約可減少50%左右；(2)無機(jī)械換向，大大減少了電磁干擾，適合AUV在狹小空間容納多種傳感器的特點(diǎn)；(3)特征曲線基本為直線，控制性好；(4)有一定的防潮和耐高溫能力。螺旋槳驅(qū)動(dòng)和舵驅(qū)動(dòng)功率不同，分別為400W和80W；工作電壓分別為直流48V和直流24V。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用美國(guó)Accelus公司的直流無刷數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器，其有以下特點(diǎn)：(1)全數(shù)字驅(qū)動(dòng)器，電流、速度和位置三環(huán)控制可以自由配置；(2)驅(qū)動(dòng)器中集成有flash存儲(chǔ)器，其有配套的計(jì)算機(jī)軟件，通過驅(qū)動(dòng)器上的RS232端口對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行部分功能設(shè)定。(3)由于為全數(shù)字驅(qū)動(dòng)器，與控制器連接簡(jiǎn)單。

圖3表示了一路直流無刷電機(jī)伺服系統(tǒng)。對(duì)螺旋槳，驅(qū)動(dòng)器設(shè)置成速度控制模式，其它設(shè)置為位置控制模式。螺旋槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用PWM調(diào)速方式，其它驅(qū)動(dòng)電機(jī)都通過微控制器I/O口輸出脈沖控制。

圖3　無刷電機(jī)伺服控制系統(tǒng)示意圖

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器按要求進(jìn)行合理設(shè)置和連接后，與控制器P87C591密切相關(guān)的信號(hào)線有兩條：一條控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速或位置，一條控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。對(duì)螺旋槳控制，將其驅(qū)動(dòng)器設(shè)置為速度模式，采用PWM調(diào)速控制，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與PWM的占空比成正比。其它電機(jī)控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)器設(shè)置為位置模式，由于這幾個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求不高，采用定轉(zhuǎn)速，這樣脈沖頻率恒定，通過對(duì)P87C591的定時(shí)器編程產(chǎn)生脈沖，另外用控制器的一個(gè)端口控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

為了保證系統(tǒng)工作安全、可靠，在控制器與驅(qū)動(dòng)器之間，采用高速光耦6N137進(jìn)行隔離，其原因：(1)控制器和驅(qū)動(dòng)器存在接地電位差；(2)抑制環(huán)境干擾信號(hào)；(3)控制器供電4.5～5V，為弱電，而驅(qū)動(dòng)器供電20～70V，相對(duì)較高。在電源輸入和電機(jī)輸出都配置保險(xiǎn)絲進(jìn)行安全保護(hù)。

執(zhí)行節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用層協(xié)議制定
在CAN210規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中，為了用戶使用的靈活性，只對(duì)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行了規(guī)定，沒有定義應(yīng)用層，這就需要用戶根據(jù)自己需求制定應(yīng)用層協(xié)議。雖然目前可以使用一些成熟的應(yīng)用層協(xié)議，如HiLon、CANOpen、DeviceNET和SDS協(xié)議等，但缺乏針對(duì)性，因此首先制定CAN應(yīng)用層協(xié)議。

在設(shè)計(jì)一個(gè)基于CAN總線的通信系統(tǒng)時(shí)，確定CAN標(biāo)識(shí)符的分配非常重要，它關(guān)系到通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的合理性和傳輸效率的高低，是制定應(yīng)用層協(xié)議的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。本文在CAN2.0標(biāo)準(zhǔn)幀格式的基礎(chǔ)上，根據(jù)水下機(jī)器人控制系統(tǒng)的需求特點(diǎn)制定了一個(gè)多幀傳輸?shù)膽?yīng)用層協(xié)議。協(xié)議中將11位信息標(biāo)識(shí)符按表1進(jìn)行分配。

標(biāo)識(shí)符ID28-ID25定義為源地址，ID24-ID21定義為目的地址，這樣節(jié)點(diǎn)可以按優(yōu)先權(quán)高低由低向高分配地址，保證競(jìng)爭(zhēng)中優(yōu)先權(quán)高的節(jié)點(diǎn)能先占用總線。相同目的/源地址的幀還可以通過標(biāo)識(shí)符ID20-ID19來調(diào)整優(yōu)先權(quán)，ID18的值用來區(qū)分多幀傳輸中起始幀(1)/普通幀(0)。

在標(biāo)識(shí)符分配中，一般保留一個(gè)地址作為數(shù)據(jù)廣播，另外不使用地址15，以避免標(biāo)識(shí)符前7位全為隱性位(邏輯1)。因此協(xié)議可以滿足不多于14個(gè)節(jié)點(diǎn)的需求。

表1　CAN幀信息和標(biāo)識(shí)碼定義

一般CAN總線的應(yīng)用層協(xié)議習(xí)慣將流長(zhǎng)度、多幀索引等信息放在數(shù)據(jù)場(chǎng)中，但這樣每一幀都浪費(fèi)了若干個(gè)字節(jié)。因此本文將多幀傳輸?shù)南嚓P(guān)信息作為起始幀發(fā)出，而有效數(shù)據(jù)作為普通幀隨后發(fā)出。起始幀的數(shù)據(jù)域結(jié)構(gòu)見表2，傳輸號(hào)為本次多幀傳輸?shù)男蛱?hào)，流長(zhǎng)度為本次數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)。

表2　起始幀(ID18=1)的數(shù)據(jù)域

普通幀的數(shù)據(jù)域?qū)τ脩羰峭该鞯模梢愿鶕?jù)需要任意安排使用。

水下機(jī)器人總線上傳輸?shù)男畔⒖煞譃橐韵氯悾?1)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸命令，傳送為保證機(jī)器人正常運(yùn)動(dòng)所需要的傳感器信息，包括航行傳感器和任務(wù)傳感器等。(2)航跡控制命令。上述兩類命令按照一定時(shí)鐘節(jié)拍發(fā)送到總線上，一般發(fā)送航跡命令的節(jié)拍要比發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)的節(jié)拍慢。(3)特殊命令，例如出現(xiàn)緊急情況需要上浮等，此種命令是不定時(shí)發(fā)送的，發(fā)送的頻率也不是均勻的。

根據(jù)以上通信特點(diǎn)，在滿足功能要求的條件下，為了簡(jiǎn)潔，協(xié)議規(guī)定命令均不超過8個(gè)字節(jié)，并使用2個(gè)字節(jié)來為命令編碼。節(jié)點(diǎn)間一次可能傳輸一個(gè)或多個(gè)命令。在本文制定的應(yīng)用層協(xié)議中，命令通過普通幀傳輸。

表3列舉了普通幀的數(shù)據(jù)域結(jié)構(gòu)，每個(gè)普通幀包含一個(gè)命令，其數(shù)據(jù)域前兩個(gè)字節(jié)為命令編碼，第三個(gè)字節(jié)存放本條命令的參數(shù)個(gè)數(shù)，后面為若干個(gè)參數(shù)的內(nèi)容。

表3　普通幀(ID18=0)的數(shù)據(jù)域

CAN程序設(shè)計(jì)
CAN軟件設(shè)計(jì)主要包括初始化函數(shù)、接收處理函數(shù)、發(fā)送處理函數(shù)、中斷處理函數(shù)等。

CAN通信的初始化工作主要包括操作模式設(shè)定、驗(yàn)收濾波器設(shè)置、總線定時(shí)、管腳配置和中斷設(shè)置等幾項(xiàng)工作。需要注意總線上各節(jié)點(diǎn)的波特率必須一致，另外P1.0(RXDC)和P1.1(TXDC)必須設(shè)置為準(zhǔn)雙向模式。

CAN接收程序流程見圖4。中斷函數(shù)中負(fù)責(zé)接收CAN信息，并將對(duì)每個(gè)任務(wù)的描述及其所包含的命令插入隊(duì)列；而主循環(huán)中將各任務(wù)包含的命令從隊(duì)列取出，并且根據(jù)命令執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)算或操作。使用隊(duì)列的好處是在執(zhí)行命令的同時(shí)中斷函數(shù)還可以接收新的命令，避免了同時(shí)讀寫通信緩沖區(qū)造成的沖突。

CAN的發(fā)送程序采用查詢方式，因?yàn)?strong>CAN總線本身提供了比較好的總線仲裁、錯(cuò)誤檢測(cè)、錯(cuò)誤標(biāo)定和故障界定功能，發(fā)送程序的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，這里不再過多贅述。

圖4　CAN接收處理程序

試驗(yàn)與結(jié)論

執(zhí)行節(jié)點(diǎn)的工作對(duì)象為小型自治測(cè)量型水下機(jī)器人，低阻力流線型殼體，水中配成中性浮力，由一個(gè)三葉螺旋槳提供推力，水平舵和垂直舵各一對(duì)來控制航向與姿態(tài)，技術(shù)指標(biāo)見表4。

機(jī)器人先后完成了水上拖纜航行和無纜自治航行。試驗(yàn)證明，本節(jié)點(diǎn)完全滿足自治水下機(jī)器人航行控制性能的高要求，并且具有實(shí)時(shí)性高、可靠性強(qiáng)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。在今后的工作中，還可以對(duì)執(zhí)行節(jié)點(diǎn)做進(jìn)一步的改進(jìn)，如更換高性能的微控制器，進(jìn)一步提高節(jié)點(diǎn)的處理速度；采用嵌入式操作系統(tǒng)來提高節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)處理能力，從而使節(jié)點(diǎn)具備更高性能。

    表4　水下機(jī)器人技術(shù)指標(biāo)