基于C#的AUV控制軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

黃敬堯，楊爽，張超，趙慧杰，郭昊

（三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443002）

1 引言

水下自主機器人（AUV）已廣泛應(yīng)用于海洋考察、港口建設(shè)、海底設(shè)施維護(hù)、深水打撈、海軍防務(wù)等諸多領(lǐng)域，現(xiàn)已成為世界各國的研究熱點。由于AUV在水下航行條件惡劣，如何精確控制AUV 并解決其通訊問題就顯得尤為重要，這就迫切需要一種合適的操作軟件，控制AUV的航行并監(jiān)視AUV 航行的狀態(tài)信息。對水下機器人的控制采用分布式控制，即通過上位機PC 實現(xiàn)對下位機的命令發(fā)送來實現(xiàn)各種運動［1］。岸上的控制主機發(fā)送數(shù)據(jù)及命令，位于AUV 控制艙的中央控制單元接收到數(shù)據(jù)及命令后，執(zhí)行動作并將數(shù)據(jù)反饋到控制主機。

C#相對其它編程語言，具有精確、簡單、類型安全的優(yōu)點［2］。由于使用Windows API 編程非常繁瑣、冗長，本系統(tǒng)上位機軟件采用了C#語言在Visual Studio 2005.NET環(huán)境下編程完成［3］。本文基于C#語言在Visual Studio 2005.NET中的環(huán)境，依據(jù)面向?qū)ο缶幊痰乃枷?，開發(fā)了Windows 平臺下的操控界面，通過控制主機PC 對AUV進(jìn)行命令發(fā)送來實現(xiàn)各種運動及功能，具有良好的可視性和靈活的可控性。

2 AUV 概述

該AUV 直徑324mm，總長度約3m，總重量約為250kg，采用模塊化設(shè)計，分為五部分，從前往后依次是：頭部（載荷艙），聲通艙，電池艙，控制艙，推進(jìn)艙。頭部裝有CTD（溫鹽深傳感器）、聲通換能器?？刂婆搩?nèi)安裝有:中央控制器、多普勒計程儀、智 能 陀 螺 儀、GPS 系統(tǒng)、釋放機構(gòu)、深度傳感器和PDL 電臺。推進(jìn)艙內(nèi)安裝有：推進(jìn)電機、電機控制盒、航行姿態(tài)控制的水平舵和垂直舵。其中PDL 電臺用于AUV在水面時與岸上控制主機進(jìn)行通信，實現(xiàn)航行器運行狀態(tài)的實時監(jiān)控。總體模型如圖1中下方所示。

圖1 控制過程

AUV 控制主機控制中央控制單元模塊，從而控制電機、舵機、聲納艙及釋放機構(gòu)。電池組經(jīng)過電源分配器之后分別給電機與中央控制單元供電。AUV在水下航行時，DVL、慣導(dǎo)、深度計將數(shù)據(jù)反饋到中央控制單元，并將數(shù)據(jù)通過PDL 電臺傳輸?shù)紸UV 控制主機的顯示界面。具體電氣模塊如圖2 所示。

圖2 電氣模塊框圖

3 控制主機軟件設(shè)計

控制主機軟件數(shù)據(jù)通過無線PDL 電臺進(jìn)行傳輸，控制AUV的航行速度、方向、下潛，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理，完成AUV 狀態(tài)數(shù)據(jù)的實時存儲、顯示、圖像軌跡繪制等功能。從使用角度看包括兩大功能：（1）人機交換。操作人員可以通過控制主機輸入各類指令，包括手動模式、自主模式、預(yù)編程模式，設(shè)定值主要包括航向、GPS、舵角、轉(zhuǎn)速，此外還有一些系統(tǒng)設(shè)置，如系統(tǒng)時間、母船GPS 等。（2）顯示功能。控制主機把AUV的姿態(tài)及實時狀態(tài)顯示出來，包括報警信號、通訊狀態(tài)、動力電壓電流、推控電流、聲納電流功率、實際轉(zhuǎn)速、航速、GPS、深度、俯仰角、橫滾角及AUV的航行軌跡，讓操作人員直觀地了解AUV目前的狀況。本控制主機軟件是在Windows XP 系統(tǒng)下Visual Studio 2005.NET 編程環(huán)境中使用C#語言編程完成，并使用編程環(huán)境中的SerialPort 類實現(xiàn)無線通信功能。SerialPort 類為應(yīng)用程序提供了通過串口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡便方法，具有功能強大、通信快速、實時性好等特點［4］。

從軟件的實現(xiàn)功能來看，控制主機的功能分為串口通訊處理功能和圖形顯示功能。串口通訊功能主要實現(xiàn)控制主機與AUV的通訊，把控制指令通過無線PDL 電臺傳給AUV，同時AUV 也將自己的狀態(tài)信息反饋給控制主機。圖形顯示功能主要實現(xiàn)動態(tài)AUV的實時數(shù)據(jù)，生成AUV的航行軌跡，從而可以直觀地得到AUV的實時信息。

3.1 串口通訊功能的實現(xiàn)

串行口是計算機與外圍數(shù)據(jù)源設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的重要介質(zhì)［5］。串行口數(shù)據(jù)的通訊是系統(tǒng)設(shè)計中最重要的部分，本文中是采用Visual Studio2005中SerialPort 類設(shè)計方法進(jìn)行通信設(shè)置。

串口通信必須遵守一定的通信協(xié)議，才可實現(xiàn)該控制軟件與AUV的正常通信［6］。通信數(shù)據(jù)協(xié)議格式如表1 所示。

表1 通信數(shù)據(jù)協(xié)議格式

協(xié)議一共59個字節(jié)，存放在readBuffer 數(shù)組中，當(dāng)控制主機收到數(shù)組時，將readBuffer 信息處理成相對應(yīng)的含義數(shù)據(jù)，分別對應(yīng)GPS 經(jīng)度、緯度、航速、動力電流電壓等一系列參數(shù)。

進(jìn)行串口通信時，首先添加SerialPort 控件，并設(shè)置一些相關(guān)參數(shù)，可以通過設(shè)置SerialPort 類的屬性來進(jìn)行。本文中串口屬性主要包括：PortName 串口名稱，BaudRate 波特率，DataBits 數(shù)據(jù)位，StopBits 停止位。

本設(shè)計中通過serialPortGPS 和serialPortPDL 接收數(shù)據(jù)引發(fā)事件，以serialPortGPS為例，在串口操作線程中用于讀取串口數(shù)據(jù)的主要代碼如下：

serialPortGPS.Read（readBuffer，0，readBuffer.Length）

串口中的數(shù)據(jù)要及時更新，然后把更新后的數(shù)據(jù)重新返回到控件中，但是在重新返回數(shù)據(jù)的時候會報錯，需要進(jìn)行異常處理，程序代碼如下：

主線程打開串口，進(jìn)行通訊的流程如圖3 所示。

圖3 通訊流程圖

3.2 圖形顯示功能實現(xiàn)

控制主機的圖形顯示主要就是為了把AUV的航行軌跡直觀地顯示出來，讓操作人員能夠方便地看到AUV的航行路徑。根據(jù)AUV實時上傳的GPS 與INS的數(shù)據(jù)，為確保將數(shù)據(jù)點更新到屏幕上，這就需要用到C#提供的GDI 繪制技術(shù)。

在C#中進(jìn)行繪圖，主要方法是定義一個窗體的Paint（）事件函數(shù)，在這個函數(shù)中實現(xiàn)繪圖，該函數(shù)在窗體需要重新繪制的時候被調(diào)用［7］。如圖5 所示的主界面，打開窗體時需要加載軌跡圖顯示區(qū)域，即實例化一個Graphics 繪圖類調(diào)用函數(shù)TranslateTransform（）函數(shù)，將原點位置設(shè)在軌跡圖顯示區(qū)域的中心，代碼如下：

繪制GPS 軌跡時，取原點經(jīng)度、緯度坐標(biāo)（x，y），AUV所在位置點的經(jīng)度、緯度坐標(biāo)為（x1，y1），要想得AUV的運動軌跡，可以根據(jù)以下公式

其中，L為地球一分的長度，即111120m。代碼實現(xiàn)過程如下：

根據(jù)GPS 實時上傳的數(shù)據(jù)，最終可完成AUV 航行軌跡的繪制。

4 運行效果及主要界面

本軟件經(jīng)過長期運行，能有效控制AUV在水面的航行狀態(tài)和在水下的航行過程，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計效果。其主要運行界面如圖4 示，分為四個區(qū)域。

圖4 主界面

圖5 自主航行功能參數(shù)設(shè)置窗口

界面左上角為軌跡圖顯示區(qū)，顯示水下航行器GPS軌跡（紅色）、INS軌跡圖（綠色），母船GPS 軌跡圖（藍(lán)色）。右下角區(qū)域為軌跡圖的局部放大圖。

界面左下角為AUV 狀態(tài)顯示區(qū)域，包括潛航體的航向角、俯仰角、橫滾角、離地高度、深度及潛航體GPS 經(jīng)緯度、INS 經(jīng)緯度、潛航體航行模式、母船GPS經(jīng)緯度等。

界面右上角分5個部分：信號顯示區(qū)域、電池狀態(tài)區(qū)域、電機狀態(tài)顯示、舵機狀態(tài)顯示、舵機控制區(qū)域。

自主航行模式主要是通過設(shè)定多個點的經(jīng)緯度、深度及轉(zhuǎn)速，使AUV 按照設(shè)定的軌跡進(jìn)行航行。自主航行模式功能參數(shù)設(shè)置窗口如圖5。

預(yù)編程航行模式是通過設(shè)定AUV 轉(zhuǎn)速、航向、深度及航行時間，使AUV 按照預(yù)定參數(shù)進(jìn)行航行。預(yù)編程航行參數(shù)設(shè)置窗口如圖6。

圖6 預(yù)編程參數(shù)設(shè)置窗口

AUV 試驗效果如圖7 所示。

圖7 AUV 湖試

5 結(jié)語

經(jīng)過湖上測試，AUV 試驗效果良好，該控制軟件可以穩(wěn)定地操作并控制AUV的航行，順利地進(jìn)行下潛。軟件以良好的性能、友好的界面和簡單的操作方法滿足了對AUV的操作。

［1］翟宇毅，張瑞勇.基于VC++的超小型水下機器人上位機人機交互界面設(shè)計［J］.自動化與儀器儀表，2011（5）：66-68.

［2］郭琳，汪蘇.基于C#的開放式機器人控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)［J］.機械工程師，2008（11）：49-51.

［3］韓中華，趙貞麗，丁志文.基于C#串行類的PC 機與IC 卡讀寫器串行通信的實現(xiàn)［J］.科技廣場，2007（3）:79-81.

［4］馬斌，等.C#串行類在PC 機與IC 卡讀寫器串行通信中的作用［J］.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，24（3）：508-511.

［5］姜拓，張劍平.基于C#的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機軟件設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電子測試，2009（9）：58-61.

［6］韋統(tǒng)安，董升亮，耿丙群，袁題訓(xùn).20kg 級自主水下機器人控制軟件設(shè)計與實現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011（11）：11-13.

［7］吳正順，陳孝威.C sharp 繪制三維圖形的方法的研究［J］.貴州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009（6）：53-56.