基于UML和Simulink的水下絞車控制系統(tǒng)研究*

綦聲波，柴 瀛，劉貴杰

(中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東青島266100)

0 引 言

水下絞車是一種在水中工作無人值守的絞車。它通過控制內(nèi)置電機(jī)或液壓裝置以實(shí)現(xiàn)繩纜的收放，從而控制探測(cè)浮球的升降。水下絞車可以使探測(cè)系統(tǒng)藏匿于深水中，遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)、海浪或漁網(wǎng)的侵害，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、鹽度、深度等海洋環(huán)境參數(shù)的全天候長(zhǎng)期連續(xù)定點(diǎn)觀測(cè)，在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和資源調(diào)查中有著非常廣泛的應(yīng)用［1-2］。

水下絞車控制系統(tǒng)是典型的嵌入式系統(tǒng)。水下絞車始終在惡劣的水下環(huán)境中工作，一旦出現(xiàn)工作狀態(tài)異常，無法進(jìn)行水下維修，導(dǎo)致探測(cè)任務(wù)失敗，因此水下絞車控制系統(tǒng)需要具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。但傳統(tǒng)的嵌入式軟件設(shè)計(jì)方法則存在缺陷，軟件組件之間的依賴性較大，開放性不足，軟件質(zhì)量和可靠性難以保證［3］。傳統(tǒng)嵌入式軟件開發(fā)過程多采用瀑布模式，對(duì)用戶需求的變化難以適應(yīng)，并且只有在開發(fā)后期的測(cè)試階段才能對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行功能驗(yàn)證，存在開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)［4］。而隨著圖形化工具的廣泛應(yīng)用，基于模型的設(shè)計(jì)方法因其具有直觀性強(qiáng)、易于仿真和移植等優(yōu)點(diǎn)，逐步為開發(fā)人員接受［5］。

本研究以有限狀態(tài)機(jī)模型為橋梁，融合統(tǒng)一建模語言(UML)和Simulink 兩種建模語言，形成一種協(xié)同設(shè)計(jì)方法，并利用該方法實(shí)現(xiàn)水下絞車控制系統(tǒng)的需求捕獲、模型建立、功能仿真和代碼生成。

1 基于UML 的模型建立

UML 是一種標(biāo)準(zhǔn)的建模語言，用于對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行可視化處理、描述、構(gòu)造以及建立相關(guān)文檔。UML能夠捕獲系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為的信息［6］。常用的UML 圖包括用例圖、類圖、序列圖、活動(dòng)圖、狀態(tài)圖等。在嵌入式軟件系統(tǒng)中UML 軟件設(shè)計(jì)方法已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用［7-10］，以下將基于UML 來建立水下絞車控制系統(tǒng)的模型。

1．1 系統(tǒng)需求分析

水下絞車系統(tǒng)主要由絞車和控制器兩部分組成。絞車部分主要由傳感器浮球、電池及控制艙、液壓站、排纜器等單元組成?？刂破魇钦麄€(gè)控制系統(tǒng)的核心，位于電池及控制艙內(nèi)。水下絞車系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

水下絞車系統(tǒng)的全部動(dòng)作根據(jù)預(yù)先設(shè)定的工作參數(shù)自動(dòng)完成。初始狀態(tài)時(shí)絞車整機(jī)坐于海底，探測(cè)浮球?？吭诮g車上。睡眠時(shí)間結(jié)束后，控制器發(fā)出放纜指令。浮球在自身浮力作用下，通過液壓馬達(dá)的怠速作用，以設(shè)定的速度上浮，在該過程中其上搭載的傳感器可以完成各剖面參數(shù)的測(cè)量工作。為了更好地觀測(cè)某些要素，控制程序可實(shí)現(xiàn)中途停留或指定剖面的多次重復(fù)觀測(cè)。達(dá)到設(shè)定位置并停留指定時(shí)間后，液壓馬達(dá)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，拉動(dòng)浮球下降到初始位置，完成收攬過程。

1．2 系統(tǒng)用例模型

對(duì)系統(tǒng)需求進(jìn)行分析后，需要描述系統(tǒng)所要完成的主要功能。用例圖可以幫助開發(fā)人員捕獲用戶對(duì)系統(tǒng)的功能要求。水下絞車控制系統(tǒng)的用例圖如圖2 所示。水下絞車的主要使用者是海上作業(yè)人員。海上作業(yè)人員只需輸入睡眠和采集時(shí)間、浮球升降速度等工作參數(shù)，絞車在算法的調(diào)度下就可以實(shí)現(xiàn)浮球自動(dòng)升降、系統(tǒng)模式切換以及狀態(tài)自檢等功能。

圖2 用例圖

1．3 系統(tǒng)靜態(tài)模型

本研究以用例圖為入口，通過用例細(xì)化，明確系統(tǒng)應(yīng)具有的屬性、操作及行為等特征，抽象出系統(tǒng)的類。類圖是一種顯示類、接口、協(xié)作以及它們之間的關(guān)系的圖，主要用于描述系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)。水下絞車控制系統(tǒng)的類圖如圖3 所示。

圖3 類圖

海上作業(yè)人員通過參數(shù)輸入類將工作參數(shù)發(fā)送給浮球類、定時(shí)器類及策略類。策略類會(huì)根據(jù)收到的工作參數(shù)，綜合當(dāng)前浮球速度、位置、工作時(shí)間以及功耗等情況，發(fā)送相應(yīng)指令給電機(jī)類和比例閥類，實(shí)現(xiàn)浮球自動(dòng)升降。浮球類中包含速度類和位置類。電源類包含電壓控制類和功耗類。電壓控制類主要控制電機(jī)和比例閥的電流通斷，同時(shí)也可監(jiān)測(cè)各級(jí)電壓值;功耗類綜合當(dāng)前電池電量和電機(jī)功率，通過電量估算模型預(yù)測(cè)剩余電量，策略類依據(jù)其預(yù)測(cè)值實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模式的切換。

1．4 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為

系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為描述了系統(tǒng)隨時(shí)間變化的行為。對(duì)行為進(jìn)行建模的方式有3 種:①根據(jù)相關(guān)對(duì)象之間相互作用時(shí)的交互方式;②根據(jù)經(jīng)過不同活動(dòng)時(shí)執(zhí)行流程的演變;③根據(jù)對(duì)象與外界發(fā)生交互的生存周期。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為模型主要包括序列圖、活動(dòng)圖和狀態(tài)圖。

序列圖表示了對(duì)象之間傳遞消息的時(shí)間順序。探測(cè)浮球單次自升降過程的序列圖如圖4 所示。定時(shí)器喚醒系統(tǒng)后，向策略類發(fā)出浮球釋放指令，策略類調(diào)用PID 控制算法調(diào)節(jié)比例閥開度，進(jìn)而控制浮球上升速度穩(wěn)定在設(shè)定值，當(dāng)浮球到達(dá)指定位置時(shí)，比例閥關(guān)閉。此時(shí)浮球中的探測(cè)器開始采集工作。采集時(shí)間結(jié)束后，定時(shí)器發(fā)出回收浮球指令。策略類首先啟動(dòng)直流電機(jī)，待溢流閥開始溢油后，調(diào)節(jié)比例閥開度使浮球以設(shè)定速度勻速下降，當(dāng)浮球到達(dá)初始位置時(shí)，比例閥和直流電機(jī)關(guān)閉。

圖4 探測(cè)浮球單次升降序列圖

活動(dòng)圖可以對(duì)系統(tǒng)工作流程進(jìn)行建模。探測(cè)浮球的工作活動(dòng)圖如圖5 所示。系統(tǒng)初始化后，接著開始睡眠。睡眠時(shí)間結(jié)束后，如果工況良好，系統(tǒng)開始正常工作。系統(tǒng)可以控制探測(cè)浮球以設(shè)定速度在各剖面之間多次采集數(shù)據(jù)。當(dāng)工況出現(xiàn)問題時(shí)，系統(tǒng)快速回收浮球，將其迅速拉回初始位置，避免浮球因電量不足等原因無法回收。

2 基于Stateflow 的模型仿真

Stateflow 是一個(gè)基于狀態(tài)機(jī)來構(gòu)建組合和時(shí)序邏輯決策模型并進(jìn)行仿真的環(huán)境。它與Matlab、Simulink緊密集成，能夠?yàn)榘刂?、?yōu)先級(jí)管理、工作模式邏輯的嵌入式系統(tǒng)提供有效的設(shè)計(jì)工具［11］。研究者在Stateflow 環(huán)境中可以直接繪制UML 狀態(tài)機(jī)模型［12-15］。

圖5 探測(cè)浮球工作活動(dòng)圖

2．1 建立狀態(tài)機(jī)模型

狀態(tài)機(jī)模型由對(duì)象的各個(gè)狀態(tài)和連接狀態(tài)的轉(zhuǎn)換組成，用來描述對(duì)象們的生存周期。水下絞車控制系統(tǒng)的狀態(tài)機(jī)模型如圖6 所示。各個(gè)狀態(tài)定義如下:①Sleep 狀態(tài):除定時(shí)器外的其它模塊均進(jìn)入低功耗模式直到睡眠時(shí)間結(jié)束;②Work 狀態(tài):包含F(xiàn)loating、Sinking、Float_Collection、Peak_Collection、Sink_Collection 5個(gè)子狀態(tài)，它們以采集時(shí)間和當(dāng)前位置等參數(shù)為條件進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換;③Reclaim 狀態(tài):結(jié)束交互或工況異常時(shí)，絞車以設(shè)定的最大收攬速度將浮球拉回初始位置。

2．2 嵌入Simulink 模型

為了仿真狀態(tài)機(jī)模型的運(yùn)行情況，本研究在Simulink 環(huán)境中模擬了參數(shù)輸入、剩余電量偵測(cè)Power_Detect、絞車液壓系統(tǒng)Winch 等模塊，其中輸入?yún)?shù)包括睡眠時(shí)間SleepTime、采集時(shí)間CollectTime、升降速度Speed、最大速度SpeedMax、目標(biāo)位置Target、交互命令Order 和電池總電量Battery，絞車液壓系統(tǒng)的傳遞函數(shù)依據(jù)文獻(xiàn)［16］提出的數(shù)學(xué)模型建立。作為邏輯控制模塊的Stateflow 模型通過輸入輸出信號(hào)與其他模塊共享數(shù)據(jù)和相應(yīng)的事件。示波器模塊Scope 顯示了浮球的位移Displacement、速度Speed 和模型的狀態(tài)State。最終建立起的完整的Simulink 仿真模型如圖7所示。

2．3 調(diào)試仿真結(jié)果

通過對(duì)狀態(tài)機(jī)模型反復(fù)進(jìn)行調(diào)試修改，就可以得到符合期望的仿真結(jié)果。圖6 說明，在仿真開始時(shí)，模型被激活在Sleep 狀態(tài)，10 s 后模型遷移到Floating 狀態(tài)，Speed 迅速上升到5 m/s，Displacement 上升直到20 m 處暫停，模型進(jìn)入Float_Collection 狀態(tài)。浮球采集數(shù)據(jù)10 s 后Displacement 繼續(xù)上升，如此反復(fù)，在最高點(diǎn)50 m 處采集數(shù)據(jù)結(jié)束后開始下降。當(dāng)Displacement 降為0 時(shí)，模型回到Sleep 狀態(tài)，完成一次升降周期。

圖6 Stateflow 狀態(tài)機(jī)模型

圖7 Simulink 仿真模型

在仿真110 s 時(shí)，模型收到結(jié)束交互命令后進(jìn)入Reclaim 狀態(tài)，Speed 迅速上升到最大速度20 m/s，方向向下，Displacement 迅速降為0，浮球回到初始位置，開始新一個(gè)工作周期。在仿真155 s 后，因電量不足導(dǎo)致工況異常，模型進(jìn)入Reclaim 狀態(tài)，隨后進(jìn)入Sleep 狀態(tài)直到仿真結(jié)束。

3 基于Embedded Coder 的代碼生成

Embedded Coder 通過嵌入式實(shí)時(shí)目標(biāo)可以生成可讀、緊湊且快速的ANSI C/C + +代碼，這些產(chǎn)品級(jí)源代碼可以在以微控制器為核心的嵌入式平臺(tái)上高效實(shí)時(shí)運(yùn)行。

本研究在Code Generation 選項(xiàng)卡中選擇ANSI C為生成語言，以Cortex-M3 為目標(biāo)硬件，正確配置系統(tǒng)時(shí)鐘和函數(shù)接口后，點(diǎn)擊Build Model 就可以將上述系統(tǒng)模塊轉(zhuǎn)換成C 代碼。通過將生成的代碼與微控制器的底層驅(qū)動(dòng)代碼相結(jié)合就得到了完整的程序代碼，可以順利地移植到特定的嵌入式平臺(tái)上。

Embedded Coder 生成的代碼框架如下所示:

4 測(cè)試結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證自動(dòng)生成的水下絞車控制系統(tǒng)軟件的可行性，本研究在IAR 集成開發(fā)環(huán)境下對(duì)最終源代碼編譯鏈接，然后下載到以STM32F207 為主控芯片的控制器上，最后將控制器與絞車機(jī)械部分連接后進(jìn)行整機(jī)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

由于采用閥控液壓馬達(dá)調(diào)速，水下絞車系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)速低、扭矩大、響應(yīng)滯后的特點(diǎn)［17-18］，本研究在實(shí)際測(cè)試中設(shè)定最大位移為10 m，升降速度為0．35 m/s，睡眠及采集時(shí)間均為10 s，在第2 個(gè)升降周期中向絞車發(fā)送一次交互命令，快速回收速度為0．5 m/s。測(cè)試結(jié)束后，對(duì)獲取的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與指令數(shù)據(jù)相比較可得到的結(jié)果如圖8 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)既滿足UML 模型的需求，又符合功能仿真得出的相應(yīng)結(jié)果，并且具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

(1)本研究從面向?qū)ο蟮慕嵌扔肬ML 語言對(duì)水下絞車控制系統(tǒng)的功能需求、靜態(tài)結(jié)構(gòu)以及動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行了明確的描述，建立起可靠的系統(tǒng)模型，使得不同階段的開發(fā)人員能夠清晰直觀地理解系統(tǒng)，避免因溝通不暢和理解偏差造成的錯(cuò)誤，保證開發(fā)的一致性。

圖8 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

(2)本研究通過Simulink 仿真工具驗(yàn)證了系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性和有效性，嵌入式代碼的自動(dòng)生成工具縮短了開發(fā)周期，節(jié)約時(shí)間和人力成本，提升了代碼質(zhì)量，避免手工編碼易犯的錯(cuò)誤，保證設(shè)計(jì)的可靠性。開發(fā)人員可以更專注于產(chǎn)品功能的設(shè)計(jì)。

(3)本研究將UML 與Simulink 結(jié)合起來，提出了在模型建立、仿真驗(yàn)證、代碼生成和測(cè)試實(shí)驗(yàn)各階段的方法，完成了水下絞車控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，達(dá)到了預(yù)期的性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了快速高效地設(shè)計(jì)可維護(hù)性強(qiáng)、可靠性高的軟件系統(tǒng)的開發(fā)目的。

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