無(wú)人水下航行器控制系統(tǒng)CAN總線通信設(shè)計(jì)與仿真研究＊

徐 襲 石 敏

（1.91388部隊(duì)93分隊(duì) 湛江 524022）（2.水聲對(duì)抗技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湛江 524022）

1 引言

在水下目標(biāo)模擬技術(shù)應(yīng)用中，無(wú)人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）作為一種良好的特征模擬設(shè)備，通過(guò)加載部分裝置即可逼真模擬部分水下運(yùn)動(dòng)物體的目標(biāo)特性。由于水下環(huán)境的復(fù)雜性及UUV自身特點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)較好的特征模擬功能，對(duì)其自身控制系統(tǒng)的可靠性與實(shí)時(shí)性要求較高，系統(tǒng)需完成大信息量、高實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)傳輸與交換，方能實(shí)現(xiàn)UUV的精準(zhǔn)、高效控制與特征模擬。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（Network Control Systems，NCS）是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型控制方法，可用于解決UUV的復(fù)雜控制問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)控制的核心在于控制通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與結(jié)構(gòu)，根據(jù)UUV控制系統(tǒng)構(gòu)架，CAN（Controller Area Network，CAN）網(wǎng)絡(luò)作為一種可靠的工業(yè)應(yīng)用總線網(wǎng)絡(luò)，完全可以滿(mǎn)足 UUV控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信的要求［1～2］。本文在CAN網(wǎng)絡(luò)通信原理的基礎(chǔ)上，研究分析UUV控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及通信協(xié)議，設(shè)計(jì)UUV控制系統(tǒng)的CAN網(wǎng)絡(luò)通信編碼方式，并利用CANoe總線仿真工具，對(duì)設(shè)計(jì)的CAN總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

2 CAN原理

CAN即控制器局域網(wǎng)，是由德國(guó)BOSCH公司提出，目前已經(jīng)形成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，主要用于汽車(chē)內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。由于其高可靠性及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，不再局限于汽車(chē)工業(yè)，已在機(jī)械制造、海洋船舶、機(jī)器人及傳感器等領(lǐng)域得到快速發(fā)展與應(yīng)用。其主要特點(diǎn)可概括如下［3］：

1）通信方式靈活。CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，不分主從；

2）采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)的退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)可不受影響的繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間，不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況；

3）CAN只需通過(guò)報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無(wú)需專(zhuān)門(mén)的調(diào)度；

4）CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10kM（傳輸速率5Kb／s以下），通信速率最高可達(dá)1Mb／s；

5）CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)110個(gè)，報(bào)文標(biāo)識(shí)符可達(dá)2032種（CAN2.0A），擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)文標(biāo)識(shí)符幾乎不受限制；

6）CAN的通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。

結(jié)合UUV控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)需求，CAN總線所具備的以上特點(diǎn)完全可以滿(mǎn)足其控制系統(tǒng)需求。

3 UUV網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

UUV控制系統(tǒng)由于控制量多，控制要求高，傳統(tǒng)的集中控制系統(tǒng)通信方式已滿(mǎn)足不了其要求。UUV在水下工作時(shí)，各部分裝置發(fā)揮效能，確保其正常工作，如由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行水下導(dǎo)航，水面狀態(tài)由全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）進(jìn)行位置校正［4］。應(yīng)用 CAN 總線的UUV控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 UUV控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由自動(dòng)駕駛儀、電推系統(tǒng)、舵機(jī)控制系統(tǒng)、避碰系統(tǒng)、水聲通信系統(tǒng)等組成，其中自動(dòng)駕駛儀作為主機(jī)，完成整個(gè)CAN總線網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸與管理，控制UUV的工作狀態(tài)，系統(tǒng)其它功能部分作為CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可發(fā)送數(shù)據(jù)或接收傳輸給自己的數(shù)據(jù)，使各部件間的內(nèi)部信息能通信互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)UUV的控制需求［5～6］。

4 通信設(shè)計(jì)

4.1 數(shù)據(jù)幀格式

UUV控制網(wǎng)絡(luò)采用CAN總線通訊協(xié)議。按照信息量需求，可選擇采用CAN2.0B協(xié)議，其傳輸數(shù)據(jù)幀支持29位擴(kuò)展報(bào)文標(biāo)志符。根據(jù)UUV不同部件其不同功能實(shí)現(xiàn)需求，可將其大致分為四部分來(lái)描述要傳遞的控制信息，分別是優(yōu)先級(jí)部分、接收節(jié)點(diǎn)標(biāo)志部分、發(fā)送節(jié)點(diǎn)標(biāo)志部分、模式／數(shù)據(jù)標(biāo)志位部分、報(bào)文編號(hào)部分和數(shù)據(jù)編號(hào)部分，具體設(shè)置時(shí)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的需要和擴(kuò)展要求設(shè)置，某典型數(shù)據(jù)幀設(shè)置如表1。

表1 某UUV控制系統(tǒng)CAN典型數(shù)據(jù)幀設(shè)置

各節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的報(bào)文，按照預(yù)先定義，進(jìn)行區(qū)分和處理。報(bào)文數(shù)據(jù)科采用二進(jìn)制格式，除特殊定義外，符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)即可。

4.2 傳輸參數(shù)

UUV控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高效的控制，除了設(shè)計(jì)好相應(yīng)的CAN通信數(shù)據(jù)幀格式外，還需考慮UUV內(nèi)部實(shí)際物理傳輸?shù)男枨?。與大型船舶相比較，UUV內(nèi)部傳輸布線空間位置不同，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大小不同，物理傳輸距離長(zhǎng)短不同，電磁環(huán)境影響程度不同，要實(shí)現(xiàn)高速率、可靠的控制系統(tǒng)，必須合理的選擇相應(yīng)的傳輸介質(zhì)，設(shè)定合理的傳輸速率等網(wǎng)絡(luò)要素。選擇合適的波特率，使得系統(tǒng)可以依靠CAN總線控制器自身的仲裁和錯(cuò)誤處理機(jī)制，達(dá)到最大程度上的抑制外界干擾的目的，提高CAN總線系統(tǒng)的可靠性。典型的UUV控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸參數(shù)的典型數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 某UUV控制系統(tǒng)CAN典型參數(shù)設(shè)置

按照UUV系統(tǒng)要求，對(duì)通信傳輸參數(shù)進(jìn)行選擇和設(shè)置，構(gòu)建CAN網(wǎng)絡(luò)通信，參數(shù)設(shè)置的正確與否，需要進(jìn)行分析和驗(yàn)證，以便應(yīng)用于實(shí)際的系統(tǒng)中具備可靠性。

5 仿真分析

為保證UUV控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相關(guān)參數(shù)設(shè)置的正確性，可采用總線應(yīng)用開(kāi)發(fā)軟件CANoe對(duì)所構(gòu)建的CAN通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬節(jié)點(diǎn)的數(shù)字仿真。若仿真效果較好，可在虛擬仿真的基礎(chǔ)上，加入實(shí)際部件節(jié)點(diǎn)硬件，進(jìn)行半實(shí)物仿真驗(yàn)證［7］。

5.1 仿真系統(tǒng)

圖2 CANoe模擬仿真軟件界面

對(duì)UUV控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真使用CANoe軟件即可完成，該軟件是德國(guó)Vector公司開(kāi)發(fā)的CAN總線應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件?？捎蒝ector的CAN總線接口硬件，實(shí)現(xiàn)虛擬總線與真實(shí)物理總線的連接。

使用CANoe進(jìn)行CAN總線的全數(shù)字仿真，也可進(jìn)行物理節(jié)點(diǎn)與虛擬節(jié)點(diǎn)相結(jié)合的半實(shí)物仿真，可對(duì)真實(shí)物理總線的通信進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控［8］。利用 CANoe構(gòu)建仿真系統(tǒng)及半實(shí)物仿真，仿真系統(tǒng)構(gòu)建軟件界面如圖2所示。

主要根據(jù)UUV控制系統(tǒng)的CAN通信設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)幀及參數(shù)，對(duì)CANdb數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行設(shè)置，逐一對(duì)總線系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)、傳輸數(shù)據(jù)幀、數(shù)據(jù)場(chǎng)和環(huán)境變量配置，然后進(jìn)行仿真配置，主要設(shè)置系統(tǒng)設(shè)計(jì)波特率、采樣點(diǎn)和濾波參數(shù)等，最后進(jìn)行CAPL語(yǔ)言編程，編制相關(guān)的節(jié)點(diǎn)傳輸機(jī)制和模式，完成后，即可進(jìn)行仿真測(cè)試，驗(yàn)證方案的可行性。

5.2 測(cè)試要素

對(duì)UUV控制系統(tǒng)的CAN總線通信設(shè)計(jì)方案的測(cè)試，首先啟動(dòng)仿真環(huán)境，通過(guò)統(tǒng)計(jì)窗口觀察總線上的數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收情況，窗口界面如圖3所示。

圖3 CANoe仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析窗口

CAN總線通信測(cè)試，依據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)窗口相關(guān)顯示內(nèi)容，注意以下幾方面［9～0］：

1）系統(tǒng)作為CAN節(jié)點(diǎn)的信息發(fā)送接收功能是否完成；

2）CAN總線平均總線負(fù)載率（Bus Load）和總線峰值負(fù)載率（Peak Load）是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；

3）各節(jié)點(diǎn)的工作流程是否合理、完善?？偩€的負(fù)荷與各節(jié)點(diǎn)工作流程密切相關(guān)，可以通過(guò)調(diào)整工作流程達(dá)到減輕CAN總線負(fù)荷的目的；

4）CAN總線上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性是否滿(mǎn)足要求。

針對(duì)以上測(cè)試要素，測(cè)試時(shí)若滿(mǎn)足不了相應(yīng)的UUV控制系統(tǒng)通信工作要求，可以及時(shí)在軟件中調(diào)整，再次進(jìn)行仿真測(cè)試驗(yàn)證；若該系統(tǒng)CAN通信測(cè)試結(jié)果滿(mǎn)足要求，可轉(zhuǎn)入到對(duì)該網(wǎng)絡(luò)的半實(shí)物仿真中，即用物理節(jié)點(diǎn)代替計(jì)算機(jī)虛擬節(jié)點(diǎn)，進(jìn)一步驗(yàn)證UUV控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)的可行性，半實(shí)物仿真示意圖如圖4所示。

圖4 CANoe半實(shí)物仿真示意圖

通過(guò)前述典型協(xié)議分析和設(shè)計(jì)，利用CANoe仿真，可驗(yàn)證UUV控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)計(jì)的正確性，其控制網(wǎng)絡(luò)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)負(fù)載小于25%，無(wú)錯(cuò)誤幀及丟幀現(xiàn)象出現(xiàn)［13］。

6 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)行良好的控制系統(tǒng)是保證UUV準(zhǔn)確模擬水下運(yùn)動(dòng)物體目標(biāo)特性的前提，本文采用CAN總線對(duì)UUV控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，討論了CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀在系統(tǒng)中的具體應(yīng)用設(shè)計(jì)和傳輸參數(shù)設(shè)置，并使用CANoe仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的UUV控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了仿真，通過(guò)仿真驗(yàn)證了UUV控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)的正確性，該方法應(yīng)用于UUV控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，將有效提高UUV系統(tǒng)控制特性和特征模擬性能。

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