基于網(wǎng)絡(luò)的水下平臺顯控系統(tǒng)研究

，，，

(華中科技大學 船舶與海洋工程學院，武漢 430074)

本顯控系統(tǒng)是一種新型水下試驗平臺的重要組成部分，是一種基于網(wǎng)絡(luò)的分布式系統(tǒng)。本課題研究的水面顯控系統(tǒng)是該水下試驗平臺的數(shù)據(jù)處理中心和監(jiān)控顯示系統(tǒng)，進行實時顯控，并記錄試驗數(shù)據(jù)。

該試驗平臺工作于水下150 m深環(huán)境，平臺四角由錨固定，每個錨由一臺錨泊絞車和一臺張緊絞車進行控制收放，絞車由液壓馬達驅(qū)動，進行調(diào)平。利用牽引絞車牽引位于平臺上的小車，使小車在平臺導軌上達到指定速度以完成指定實驗。平臺模型及顯控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1、2。

圖1 平臺模型 圖2 顯控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

顯控系統(tǒng)在功能上來說，分為三個功能模塊：網(wǎng)絡(luò)通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和實時再現(xiàn)仿真模塊，功能結(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖3 顯控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

1 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由主控節(jié)點、數(shù)據(jù)處理節(jié)點(工控機2)、實時三維仿真節(jié)點(工控機1)、應(yīng)急控制節(jié)點等組成，系統(tǒng)采用基于以太網(wǎng)的分布式結(jié)構(gòu)，由數(shù)據(jù)圖表顯示節(jié)點控制整個仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收、處理、存儲以及仿真推進,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

主控節(jié)點(主控PLC)接收水下設(shè)備傳輸上來的信號，并將其數(shù)據(jù)發(fā)送給指定節(jié)點。(主控節(jié)點的控制作用在這里不做討論)。

數(shù)據(jù)處理節(jié)點是數(shù)據(jù)的管理站點，它接收主控制節(jié)點傳送的數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)校驗、參數(shù)處理和數(shù)據(jù)存儲，另外還要對小車和平臺的速度等數(shù)據(jù)進行圖表曲線顯示，以及為實時三維仿真節(jié)點提供仿真數(shù)據(jù)。實時三維仿真節(jié)點主要進行三維建模、實時的三維仿真等。

應(yīng)急節(jié)點是在水下設(shè)備不能正常工作的情況下啟動應(yīng)急系統(tǒng)，水下數(shù)據(jù)將從應(yīng)急節(jié)點傳輸。

1.2 數(shù)據(jù)通信

網(wǎng)絡(luò)通信是本網(wǎng)絡(luò)顯控系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)，本系統(tǒng)使用普通的以太網(wǎng)為通信介質(zhì)，采用標準的TCP/IP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信采用基于TCP協(xié)議的流式套接字，使用Winsock編程最常用的模式：服務(wù)器-客戶端模式(Server-Client)[1-2]，網(wǎng)絡(luò)通信過程見圖5。

圖5 Server-Client模式通信過程

1.3 實時數(shù)據(jù)處理

1.3.1 數(shù)據(jù)處理流程

實時數(shù)據(jù)處理是本系統(tǒng)的核心內(nèi)容，是所有其它工作的數(shù)據(jù)中心，其工作流程如下。

1)數(shù)據(jù)處理節(jié)點接收到主控節(jié)點的數(shù)據(jù)碼字，對其進行數(shù)據(jù)解析，根據(jù)預設(shè)定的編碼位設(shè)置，解析幀類型、幀長等設(shè)備和編碼信息，以及運動和狀態(tài)等具體數(shù)據(jù)。典型小車數(shù)據(jù)位設(shè)置見表1。

表1 小車數(shù)據(jù)位設(shè)置

2)對數(shù)據(jù)進行濾波，即數(shù)據(jù)校驗。在程序中設(shè)置一個計算器count，一旦接收到異常數(shù)據(jù)，計數(shù)器從0開始計數(shù)，如果連續(xù)異常次數(shù)超過5此，也就是說count>5時，有理由認為設(shè)備發(fā)生了故障，這時必須進行檢查。數(shù)據(jù)校驗的程序流程圖見圖6。

圖6 數(shù)據(jù)校驗流程

3)將正確的數(shù)據(jù)進行存儲，供以后查閱。存儲的數(shù)據(jù)中不僅包括實時的小車速度、位置，平臺傾角、深度等信息，還包括具體信息數(shù)據(jù)的發(fā)送(或接收)時刻，設(shè)備號等。

4)對一些沒有直接信號的數(shù)據(jù)，還須通過計算后一起存儲，比如小車加速度，在程序中使用結(jié)構(gòu)體Struct來表示一個設(shè)備數(shù)據(jù)。例如小車的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義為

Struct Car

{

char carID[8];//小車設(shè)備 ID號

char time[20];//時刻

float speed;//瞬時速度

float acceleration//瞬時加速度

float displacement;//位移

int direction;//方向

Coordinate coords;//坐標位置

}

之后，取出數(shù)據(jù)，對小車、平臺等數(shù)據(jù)進行圖表曲線的實時繪制。數(shù)據(jù)流程圖見圖7。

圖7 數(shù)據(jù)處理流程

1.3.2 設(shè)計實現(xiàn)

如果將所有的工作放在同一個線程，如果出現(xiàn)上面的情況，將會發(fā)生阻塞，發(fā)送過來的數(shù)據(jù)得不到及時的處理，很可能會丟失。

本系統(tǒng)采用多線程技術(shù)，創(chuàng)建3個線程：線程1(數(shù)據(jù)接收線程)負責處理數(shù)據(jù)的接收；線程2(數(shù)據(jù)處理線程)負責數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)存儲和發(fā)送放；線程3(曲線圖表線程)負責從數(shù)據(jù)區(qū)中取數(shù)據(jù)，以及曲線圖表顯示,簡單的數(shù)據(jù)流程見圖8。

圖8 數(shù)據(jù)處理節(jié)點流程

既然用到了多線程技術(shù)，必然會涉及到線程的同步問題。使隸屬于同一進程的各線程協(xié)調(diào)一致地工作稱為線程的同步[3]。當多個線程同時讀寫同一份共享資源的時候，可能會引起沖突。當線程1對數(shù)據(jù)區(qū)的寫操作和線程2的讀操作同時進行時，這時可能會出現(xiàn)讀數(shù)據(jù)錯誤，可以使用事件(CEvent)來進行線程的同步。

CEvent類提供了對事件的支持。事件是一個允許一個線程在某種情況發(fā)生時，喚醒另外一個線程的同步對象[4]。例如在某些網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序中，線程1負責監(jiān)聽通信端口，線程2對接收的數(shù)據(jù)進行處理。通過使用CEvent類，線程1可以通知線程2何時處理數(shù)據(jù)。部分程序?qū)崿F(xiàn)如下。

在線程1的函數(shù)中Thead1Func(LPVOID pParam)進行寫操作，寫完即喚醒讀操作：

......

WaitForSingleObject(hEvent.m_hObject,INFINITE);//等待

write();//寫入操作

hEvent.SetEvent();//設(shè)置為有信號，喚醒讀操作

......

在線程2的函數(shù)中Thead2Func(LPVOID pParam)進行讀操作，開始時即設(shè)置為有信號，可以進行寫操作：

......

hEvent.SetEvent();//設(shè)置為有信號

WaitForSingleObject(hEvent.m_hObject,INFINITE);//等待

read();//寫入操作

hEvent.SetEvent();//設(shè)置為有信號

......

同樣，線程2與線程3之間也可以使用這種同步處理。

1.4 實時三維仿真

1.4.1 三維模型動畫

由于OpenGL沒有提供高級命令函數(shù)來定義復雜的三維模型[5]，本系統(tǒng)利用3DSMax建立三維立體模型。在3DSMax中，將所建立的幾何模型保存為3DS數(shù)據(jù)格式，然后導入到軟件系統(tǒng)中。需要注意的是3DS數(shù)據(jù)格式只能保存和轉(zhuǎn)換幾何信息，而色彩、材質(zhì)等信息可能會在轉(zhuǎn)換時丟失[6]。

動畫是由一幀幀有序的圖像連續(xù)播放形成的，而每幀都是由一些特定圖形對象繪制在屏幕上形成的[7]。因此要形成動畫，必須選好每一幀的時間間隔，以及模型在每一幀之間的運動“間隙”(包括位移、角度等)。

理解動畫的原理對后面的參數(shù)處理將有很大的影響，因為三維仿真中，模型的運動必須考慮到時間間隔和運動“間隙”。

1.4.2 數(shù)值處理

讀取到解析后的數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)還不能直接用于三維仿真。讀取的數(shù)據(jù)是真實物體的運動數(shù)據(jù)，必須經(jīng)過參數(shù)處理，轉(zhuǎn)化為三位模型數(shù)據(jù)，才能運用于三維仿真中。

以小車為例，設(shè)小車軌道實際長為Lrl，模型中小車導軌長為Lml，以導軌最左端為坐標原點，設(shè)實際導軌上某坐標數(shù)值為Lrc，模型中導軌相應(yīng)的坐標值為Lmc，則有

(1)

由式(1)可得模型坐標值Lmc=Lrl·c。

這樣可以輕松地用小車的真實坐標值，乘以比例值c，得到三位仿真位置坐標值。速度、加速度等涉及物理量也可以這樣處理。

但是角度的處理就不能這樣乘以一個比例值，角度值不需要比例值。實際上是利用相似性原理，將實體大小縮放成模型的大小，而角度是不變的(類比相似三角形)。

模型的比例值并不一定全都一樣，為增加模型的真實感，以及便于顯示觀察，某些模型比例值會作適當調(diào)整。如為便于觀察，錨的比例值Cm會比平臺的大，但從仿真的真實感考慮，錨的深度、下放和上拉的速度，計算時將使用平臺模型的比例值。這一點要特別注意。

1.4.3 時鐘處理

對于動畫演進，實際上是利用程序在間隔時間內(nèi)重繪每個坐標點[8]，時間間隔是靠定時器中斷產(chǎn)生的，在代碼中可由函數(shù)SetTimer()設(shè)置一個系統(tǒng)時鐘周期Tm(前述時間間隔)。

接收到的數(shù)據(jù)也有一個時鐘周期Tr(水下數(shù)據(jù)發(fā)送周期)，如果Tr<1/24(人眼視覺停留時間)，一般取仿真時鐘周期Tm=Tr即可，此時可以保證動畫的連續(xù)性。但是本系統(tǒng)水下有多個控制器和傳感器，它們發(fā)送數(shù)據(jù)的時鐘周期并不統(tǒng)一，取Tm=Trmin，那么對于Tr>Tm的設(shè)備數(shù)據(jù)須進行特殊處理。

當設(shè)備Tr>Tm時，設(shè)備的數(shù)據(jù)沒有出現(xiàn)在時刻N·Tm，這時會出現(xiàn)“數(shù)據(jù)真空”問題。那么必須使用一個比較合理的算法，利用已有的數(shù)據(jù)，近視地推算出N·Tm時刻的位置數(shù)據(jù)。

為此，設(shè)計比較可行的算法——中點逼近法。

在一段時間內(nèi)，物體有數(shù)據(jù)傳輸過來，設(shè)從時刻t1開始，其數(shù)據(jù)傳輸時鐘周期為Tr，那么，在時刻t1，t1+Tr，t1+2·Tr…t1+i·Tr…，程序中可以讀到數(shù)據(jù)Mr0，Mr1，Mr2，…，Mri，…。

將時刻簡化，見圖9，

圖9 中點逼近法

現(xiàn)在的問題是，已知讀取到了tr0，tr1，tr2，…，tri-1，tri，時刻的數(shù)據(jù)Mr0，Mr1，Mr2，…，Mri，如何求出tmj時刻的數(shù)據(jù)Mrj。不斷取中點，使用中點不斷地逼近，直到某兩點的中點時刻為tmj，即認為該點時刻數(shù)據(jù)為Mrj。

1)如果tri=tmj，則有Mrj=Mri，算法結(jié)束；否則執(zhí)行2)。

2)根據(jù)Mri-1，Mri求出Mri+1，tri是[tri-1,tri+1]的中點，取Mri為時間段[tri-1,tri+1]的平均值，設(shè)有

2·Mri=Mri-1+Mri+1

(2)

則有Mri+1=2·Mri-Mri-1。

再取[tri，tri+1]的中點時刻tM0，近似計算該時刻數(shù)據(jù)M0=(Mri+1+Mri)/2，如果tM0=tmj，則有Mrj=M0，算法結(jié)束。

3)否則，如果tM0>tmj，利用[tri,tM0]的中點，以及Mri和M0重復步驟2)(將tM0賦值給tri+1，將M0賦值給Mri+1)；

4)否則，如果tM0

注意：

①傳輸時鐘開始時刻對應(yīng)的第一個程序時鐘為仿真的開始，也就是說程序開始的時刻要早于傳輸；同樣，程序時鐘結(jié)尾時刻要晚于傳輸。

式中：S——位移或角度；

Si-1——已經(jīng)接受到的數(shù)據(jù)；

v(vi-1和vi)——速度或角速度。

算法的可行性說明。

1)平臺和小車等的運動過程是一個比較緩慢的過程，一般來說，在某一段時間內(nèi)可以近似地看成是線性運動，在這種情況下，用中點逼近比較合理；

2)程序時鐘周期取各數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚≈担恳粋€周期非常短，那么數(shù)據(jù)變化也非常小，用中點逼近誤差很小。

2 實驗結(jié)果

以小車運動為例，選取小車數(shù)據(jù)傳輸周期為Tr=0.037 5 s，程序周期為Tm=0.025 s。小車的運動規(guī)律見圖10。

圖10 小車運動規(guī)律

試驗中，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)過解析和濾波之后的數(shù)據(jù)如下，選取t∈(5,7.348)時間段(加速度開始勻速減小)中部分，以t=5.0 s為開始時刻，獲取到的數(shù)據(jù)只在N·Tr時刻，見表2。在三維仿真時，在時刻N·Tm的仿真數(shù)據(jù)見表3。

表2 實驗傳輸數(shù)據(jù)

表3 仿真數(shù)據(jù)

表3中，實際數(shù)據(jù)是根據(jù)小車運動規(guī)律(圖10所示)算出的小車的理想運動數(shù)據(jù)；推算位移是根據(jù)公式(3)算出的三維仿真中小車位移量。

從結(jié)果可以看出，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)較為穩(wěn)定，數(shù)據(jù)處理各線程工作協(xié)調(diào)，能較好地保證數(shù)據(jù)傳輸和處理的同步。從表3可以看出，“中點逼近”得出的位移量和理想數(shù)據(jù)基本上是一致的，其誤差非常小，結(jié)果非常理想。

3 結(jié)論

1)針對控制器在水下串口通信速率不高的特點，采用普通以太網(wǎng)的TCP/IP通信網(wǎng)絡(luò)，不僅提高了通信速率，而且大大增強了通信的穩(wěn)定性。

2)利用半物理三維仿真動畫，能流暢地實時地從水面觀測水下工作狀態(tài)。

3)使用中點逼近法，能比較理想地解決程序時鐘和數(shù)據(jù)傳輸時鐘不一致而產(chǎn)生的“數(shù)據(jù)真空”問題。

本系統(tǒng)經(jīng)過了多次船池模擬實驗，實驗證明，數(shù)據(jù)處理和接收穩(wěn)定可靠，三維仿真實時性較高，該研究可以較好地實現(xiàn)顯控系統(tǒng)的要求。但其中也有欠缺，數(shù)據(jù)處理中的線程可以考慮使用線程池技術(shù)，參數(shù)處理中的時鐘處理算法原理上比較粗略，這些也是今后的研究內(nèi)容。

[1] TANENBAUM A S.計算機網(wǎng)絡(luò)[M].潘愛民，譯.北京：清華大學出版社，2004.

[2] 汪 翔，袁 輝.Visual C++實踐與提高——網(wǎng)絡(luò)編程篇[M].北京：中國鐵路出版社，2001.

[3] 戴大蒙.基于非阻塞式Winsock的多線程網(wǎng)絡(luò)通信機制[J].計算機工程，2006,32(6):137-138.

[4] 郭羽成.三維視景仿真中面向客戶端的網(wǎng)絡(luò)同步模型研究[D].武漢：武漢理工大學,2006.

[5] 孫 卿.基于OpenGL的衛(wèi)星運行仿真[D].武漢：華中科技大學,2004.

[6] 葛 翔.基于OpenGL的三維建筑仿真與漫游技術(shù)研究[D].武漢：武漢理工大學,2006.

[7] 陳 勇.仿生機器人運動形態(tài)的三維動態(tài)仿真[D].長春：吉林大學大學，2005.

[8] 劉 升，王行愚，游曉明.基于VC++的OpenGL三維動畫仿真及場景漫游的實現(xiàn)[J].計算機工程與設(shè)計，2006,27(17):3235-3238.