基于VxWorks的微小型AUV體系結構設計

聶建多　褚振忠　朱大奇

摘要：

為提高自主式水下機器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）控制系統(tǒng)的魯棒性，將分層遞階結構與包容式結構相結合，提出了一種混合式控制體系結構，開發(fā)了基于VxWorks的微小型AUV控制系統(tǒng).該系統(tǒng)以“海事金槍魚”號AUV為載體，以嵌入式PC104計算機為系統(tǒng)核心，通過傳感器的信息融合、算法實現(xiàn)和多任務運行，控制系統(tǒng)驅(qū)動推進器、舵、翼等執(zhí)行單元實現(xiàn)AUV的姿態(tài)調(diào)整、導航和路徑規(guī)劃，最終達到自主作業(yè)的目的.“海事金槍魚”號AUV的開發(fā)應用，驗證了方案的可行性以及控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性.

關鍵詞：

自主式水下機器人（AUV）； 混合式控制； VxWorks； 控制系統(tǒng)

0引言

自主式水下機器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）作為一種水下無人航行器，在21世紀軍

民應用和海洋開發(fā)等領域擁有極其廣闊的應用前景，已成為近年來海洋工程領域的研究熱點，特別是AUV核心技術之一的控制體系結構設計已成為實現(xiàn)其自主作業(yè)的關鍵所在.[12]目前，AUV的控制體系結構大致可分為四大類：反應式結構、包容式結構、分層遞階結構和混合式結構.[3]為實現(xiàn)各體系結構的優(yōu)勢互補，可將不同體系結構進行有機結合以構建混合式控制體系結構.混合式控制體系結構通過對系統(tǒng)中各功能模塊進行合理的分層布置，將反應式結構或包容式結構與上層的推理、規(guī)劃有機地結合起來，使它在面對復雜海洋環(huán)境時具有快速的反應能力及較好的魯棒性.[46]

本文提出了一種基于VxWorks的微小型AUV控制系統(tǒng)，采取分層遞階結構與包容式結構相結合的控制體系結構.以“海事金槍魚”號AUV為載體，以多板嵌入式PC104計算機為核心，通過控制算法協(xié)調(diào)多任務工作以驅(qū)動推進器、舵、翼等執(zhí)行單元，并聯(lián)合多傳感器的信息數(shù)據(jù)進行AUV的姿態(tài)調(diào)整、導航和路徑規(guī)劃等，真正實現(xiàn)自主式作業(yè).[7]

1“海事金槍魚”號AUV性能

“海事金槍魚”號AUV如圖1所示.該AUV由嵌入式控制系統(tǒng)、水下姿態(tài)平衡系統(tǒng)、導航與定位系統(tǒng)、可靠性安全系統(tǒng)、動力推進系統(tǒng)及聲吶系統(tǒng)組成，可實現(xiàn)水下自主航行，具有目標搜索和數(shù)據(jù)采集功能.[8]同時，AUV可實現(xiàn)水面與控制臺的實時通信，便于實時觀測各項數(shù)據(jù)及狀態(tài)參數(shù)，避免多種安全性問題.與無人遙控潛水器（Remotely Operated Vehicle，ROV） 等水下機器人相比較，AUV不受纜線約束，作業(yè)深度和水域范圍大，工作效率高，機動性能強.這些特點決定了它在長時間、大范圍搜索搜救任務上，具有明顯優(yōu)勢.

圖1“海事金槍魚”號AUV

“海事金槍魚”號AUV的主要參數(shù)：AUV長度為2.4 m，直徑0.24 m，空氣中質(zhì)量為70 kg，最大航速為4 kn，最大潛深為200 m，續(xù)航時間為4 h；慣性導航單元最大可測角速率為450°/s，最大可測加速度為50 m/s2；GPS跟蹤靈敏度為-162 dBm，捕獲靈敏度為-148 dBm；多普勒測速儀可測速度為0.03～50 m/s；模擬攝像頭參數(shù)為700 TVL，1 200 dpi，最低照度為0.01 lx；深度計采用電流輸出型，可測范圍為4～20 mA，誤差為0.1%；拖曳式聲吶頻率為700 kHz，可測深度為100 m.

2AUV整體控制系統(tǒng)設計

“海事金槍魚”號AUV屬于微小型AUV范疇，其控制體系結構由分層遞階結構與包容式結構混合構建，包括管理層、任務層和執(zhí)行層，見圖2.管理層作為整個系統(tǒng)的高級控制，統(tǒng)領任務運作，抑制處理下層不良現(xiàn)象，使AUV系統(tǒng)可控性更強；任務層的主要功能是實現(xiàn)與高級控制和執(zhí)行機構交換信息，保證AUV運作穩(wěn)定；執(zhí)行層為整個系統(tǒng)的基礎硬件部分，負責AUV的姿態(tài)調(diào)整、數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)參數(shù)反饋和安全可靠性監(jiān)測等.整個系統(tǒng)由無線串口與主控臺進行通信，主控臺負責對AUV在水面航行過程中的各項狀態(tài)參數(shù)進行監(jiān)控，并發(fā)送必要的操作命令.[10]

圖2“海事金槍魚”號AUV體系結構

“海事金槍魚”號AUV的整個控制系統(tǒng)層次分明，聯(lián)系緊密，所采用的混合式體系結構在復雜的水下環(huán)境中具有良好的應變能力和堅固性，在應用中成效顯著.

2.1核心控制系統(tǒng)

考慮到水下機器人控制系統(tǒng)的開發(fā)成本和難度及控制難易等，傳統(tǒng)小型水下機器人多采用微控制器，包括單片機、DSP芯片和ARM處理器等.

單片機類微控制器，如AT89C51系列、FreeScale系列等，均具有軟件設計簡單、操作便捷、開發(fā)難度小的特點，但內(nèi)存小，處理速度低，并且在多任務的復雜控制系統(tǒng)中難以達到穩(wěn)定的控制性能；DSP芯片在數(shù)據(jù)處理能力、性能穩(wěn)定性上雖較單片機有質(zhì)的飛躍，但并不具有實時處理能力，無法在多傳感器、多任務的AUV中應用；ARM處理器具備了上述兩者的優(yōu)勢，不僅具有較高的工作頻率（最新的ARM11官方公布的主頻可達1 GHz），而且在數(shù)據(jù)處理能力方面也有很大的提升，但卻不具有內(nèi)存容量擴展能力，不宜運用于復雜系統(tǒng)的AUV設計中.因此，必須搭建一種兼顧高速數(shù)據(jù)處理，可進行實時多任務、多傳感器信息采集的控制系統(tǒng).

PC104計算機是一款具有超低功耗，易于維護、擴展、系列化、升級的多功能控制器，配合多任務實時操作系統(tǒng)VxWorks使AUV的控制系統(tǒng)更具優(yōu)勢，如將大大提升可擴展性和降低系統(tǒng)復雜度[10].“海事金槍魚”號AUV核心控制系統(tǒng)即采用VxWorks實現(xiàn)，通過PC104計算機進行搭載，其具體優(yōu)勢體現(xiàn)在以下方面.

（1）多任務調(diào)度.

“海事金槍魚”號AUV系統(tǒng)任務分為三大類：導航定位任務、傳感器數(shù)據(jù)采集任務和運動控制任務，其功能由多個子任務分擔完成（如圖2所示）.AUV采用的VxWorks支持多任務實時系統(tǒng)，同時采用基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度方式，保證了三大任務可以實時切換，實現(xiàn)近乎并行工作的效果.這樣既可以避免AUV單任務延遲導致的系統(tǒng)故障，又能保證整個系統(tǒng)的高效運轉(zhuǎn).[11]

（2）強實時性.

VxWorks在PMI2下支持最高2 GHz主頻，使任務切換時間、中斷響應時間可降至微秒級，再加上VxWorks本身對系統(tǒng)響應時間的確定性保證，使其在處理外部事件（包括傳感、通信、運動控制等）和任務調(diào)度的過程中速度較微控制器大大提升.

（3）內(nèi)存優(yōu)勢.

本系統(tǒng)中采用1 GB的系統(tǒng)內(nèi)存，為AUV三大任務及其子任務下的堆棧及數(shù)據(jù)存儲提供了空間保障，避免了因內(nèi)存空間不足導致的系統(tǒng)異常.

（4）可靠性.

VxWorks采用分布式消息隊列和異常處理等機制，支持系統(tǒng)的冗余設計和容錯設計，具有系統(tǒng)異常自動重啟功能，保障了AUV軟件設計的可靠性.

（5）高速非塊設備的采用.

在AUV系統(tǒng)中，鑒于系統(tǒng)反應速度、操作簡易程度等多方面考慮，本文中所提到的多板嵌入式控制系統(tǒng)采用的均為VxWorks下的非塊字符設備.字符設備隸屬于非塊設備類型，其驅(qū)動程序的實現(xiàn)相對簡單.它向上只與I/O系統(tǒng)接口，處于相對底層，在使用過程中均通過操作系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)用驅(qū)動程序，工作效率高.因此，在本文的多板嵌入式結構中，外接的傳感器系統(tǒng)及控制單元等所使用的在板及外擴設備，包括A/D設備、D/A設備、I/O設備和串口設備等，均采取字符設備操作，見圖3.

圖3VxWorks下的AUV具體實現(xiàn)結構

該系統(tǒng)通過安裝各板卡的設備，如串行口，A/D與D/A轉(zhuǎn)換，數(shù)字I/O口，外部中斷處理等，拓寬核心控制系統(tǒng)的功能，提高整個VxWorks嵌入式系統(tǒng)的可用性和擴展性，使AUV能充分利用其集成功能滿足自身多模塊業(yè)務需求.

2.2導航定位系統(tǒng)

導航定位系統(tǒng)分為水面GPS導航和水下慣性導航兩部分.AUV水面導航是通過GPS單元和姿態(tài)傳感器采集的經(jīng)緯度和姿態(tài)角，并聯(lián)合運動控制單元以及必要的導航定位算法實現(xiàn)的；AUV進行水下導航時，由于無法獲取GPS信號，故GPS單元在水下航行中不起作用，導航任務由慣性模塊擔任.整個AUV導航定位系統(tǒng)均由VxWorks微計算機系統(tǒng)進行實時的AUV航向和路徑規(guī)劃，通過閉環(huán)控制AUV抵達目標水域作業(yè)，以此來合理協(xié)調(diào)AUV的導航過程.[12]

2.3任務傳感系統(tǒng)

在“海事金槍魚”號AUV中，集成了一套完善的傳感器系統(tǒng)，由VxWorks微計算機系統(tǒng)進行實時的數(shù)據(jù)采集與處理，可應對復雜的水下環(huán)境，保障AUV的整體安全性.[13]AUV任務傳感系統(tǒng)架構見圖4.

圖4AUV任務傳感系統(tǒng)架構

考慮到AUV的性能及后續(xù)維護等，該系統(tǒng)采用了模塊化設計，不僅有利于故障排查與處理，而且提高了整個AUV系統(tǒng)的堅固性.

2.4運動控制系統(tǒng)

針對微小型AUV的定深和定向動作，開發(fā)了一種新型的舵翼聯(lián)控運動控制系統(tǒng).該系統(tǒng)具有成本低、耗能少、性價比高等優(yōu)勢，其整體架構設計見圖5.

圖5AUV運動控制系統(tǒng)架構

該系統(tǒng)作為執(zhí)行層乃至整個AUV硬件系統(tǒng)的最關鍵部分，負責AUV在水下的各自由度運動，由推進器、方向舵和水平翼等三部分組成.[1415]

“海事金槍魚”采用軸向雙推進器結構，置于AUV尾部的兩側(cè)，通過VxWorks操作系統(tǒng)下安裝的非塊設備，進行實時高效的控制，可進行AUV的直行、后退、輔助轉(zhuǎn)向等動作.

方向舵與水平翼具有相同結構，由步進電機（主動輪）和槳葉（從動輪）組成，用以實現(xiàn)AUV的航向和深度控制.圖6為實際舵、翼裝置圖，其具體工作原理如下：

①舵機角度采集.旋轉(zhuǎn)變壓器實時采集主動輪的角度，由解碼器進行解碼并轉(zhuǎn)換為8位可操作量，通過程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為十進制數(shù)，存儲于VxWorks系統(tǒng)中等待使用.

②舵機角度參數(shù)處理.管理層可完成對舵、翼的槳葉位置信息的解析，結合相應算法得到當前AUV的轉(zhuǎn)向和深度，并依據(jù)角度的正負值判斷出具體的姿態(tài)情況.

③舵機角度輸出.舵機的角度控制采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，經(jīng)管理層解析得到的舵機位置聯(lián)合AUV作業(yè)位置，由PWM信號驅(qū)動步進電機實時修正舵機槳葉位置.

圖6舵、翼裝置圖

3試驗結果

為驗證“海事金槍魚”號AUV所采用的控制體系結構的可行性和有效性，在千島湖進了水下自主航行試驗.首先，進行基礎運動控制試驗，包括自主定深控制、自主定向控制和方向切換控制，對所記錄的數(shù)據(jù)進行濾波處理后繪制出試驗圖，見圖7.由圖7可見“海事金槍魚”號AUV在自主控制上取得了良好的效果.

a）定深控制（1 m）

b）定深控制（2 m）

c）定向控制（目標航向250°）

d）方向切換控制（航向由240°切換至40°）

圖7基礎運動控制試驗

在基礎運動控制試驗獲得較為滿意的結果后，進行長距離導航試驗.圖8為長距離導航試驗中的AUV實際軌跡和理論要求軌跡的曲線，通過對比可以看出，“海事金槍魚”號AUV不僅可靈活轉(zhuǎn)向并能保持指定航向順利航行，而且航向切換控制效果也非常明顯.

圖8長距離導航試驗

4結論

本文將分層遞階結構與包容式結構相結合，提出一種基于VxWorks的微小型AUV混合式體系結構，研發(fā)出了基于該體系結構的AUV控制系統(tǒng)，并通過“海事金槍魚”號AUV的開發(fā)和應用驗證了該體系結構的可行性、堅固性和智能性，真正實現(xiàn)了水下機器人的自主式作業(yè).

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（編輯趙勉）