以太網(wǎng)技術(shù)在ROV通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究*

綦聲波，蘇志坤，江文亮

(1.中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.青島森科特智能儀器有限公司，山東 青島 266100)

0 引 言

隨著陸地資源的枯竭，海洋資源的開發(fā)利用對(duì)人類的發(fā)展越趨重要[1-3]。ROV是一種水下有纜遙控機(jī)器人，因其具有安全、高效、靈活、能長時(shí)間在水下作業(yè)等特點(diǎn)，目前已經(jīng)成為海洋資源勘探開發(fā)必不可少的工具。ROV系統(tǒng)一般分為水面控制平臺(tái)、臍帶纜和水下潛體3部分[4]。臍帶纜除了能給水下潛體供電外，還是水面控制平臺(tái)和水下潛體間的通信信道，即兩者之間視頻、數(shù)據(jù)、控制信號(hào)交換都是經(jīng)過臍帶纜進(jìn)行的。通信系統(tǒng)一旦工作失效，水下潛體將失去控制從而導(dǎo)致作業(yè)失敗，所以ROV對(duì)通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性有著極高的要求。

以往的ROV通信系統(tǒng)，多采用混合通道，即視頻采用模擬信號(hào)單獨(dú)傳輸，數(shù)據(jù)和控制命令采用另外的導(dǎo)線。這種方式存在著一些弊端：(1)多通道設(shè)計(jì)，占用了較多導(dǎo)線，容易導(dǎo)致臍帶纜線徑變粗，成本上升；(2)模擬視頻信號(hào)易受干擾，特別是數(shù)據(jù)交換或供電電流發(fā)生變化時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)雪花、條紋、變色等失真現(xiàn)象。

為此，本文針對(duì)所設(shè)計(jì)的淺水ROV系統(tǒng)，利用工業(yè)以太網(wǎng)通信成熟穩(wěn)定的特點(diǎn)[5]，設(shè)計(jì)基于以太網(wǎng)通信技術(shù)的ROV視頻、數(shù)據(jù)、控制信號(hào)綜合傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)。

1 通信系統(tǒng)需求及總體設(shè)計(jì)

1.1 通信系統(tǒng)功能需求分析

ROV在工作時(shí)，水下潛體除了要根據(jù)控制信號(hào)完成作業(yè)任務(wù)外，還需要不斷地向水面控制平臺(tái)傳輸視頻信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)；而水面控制平臺(tái)則需要實(shí)時(shí)播放視頻和顯示水下潛體返回的數(shù)據(jù)，并根據(jù)作業(yè)人員的操縱向水下潛體下發(fā)控制信號(hào)。這就要求通信系統(tǒng)必須具備視頻、數(shù)據(jù)和控制信號(hào)全雙工并行傳輸?shù)墓δ?。其次，為保證水下潛體的作業(yè)質(zhì)量，作業(yè)人員必須要能夠?qū)崟r(shí)地觀測(cè)水下周圍環(huán)境的視頻，即在水下潛體上會(huì)安裝多個(gè)攝像頭從不同的角度對(duì)水下環(huán)境進(jìn)行觀測(cè)，這就要求通信系統(tǒng)必須具備在短時(shí)間內(nèi)完成多路模擬視頻信號(hào)或網(wǎng)絡(luò)視頻信號(hào)的遠(yuǎn)距離有線傳輸?shù)墓δ?。最后，由于水下潛體的密封艙空間大小有限，只能使用小型的通信設(shè)備來進(jìn)行信息的高速率傳輸。

1.2 通信系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

在以往的ROV通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)和控制信號(hào)通常是采用兩線制的RS485進(jìn)行傳輸，視頻信號(hào)則是以模擬視頻信號(hào)的形式進(jìn)行傳輸[6-7]。在這種情況下，數(shù)據(jù)和控制信號(hào)只能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離半雙工傳輸；對(duì)于模擬視頻信號(hào)傳輸，當(dāng)需要傳輸多路視頻信號(hào)時(shí)，需要增加臍帶纜的芯數(shù)或在電路中增加視頻信號(hào)選通電路，增加通信系統(tǒng)的硬件成本和復(fù)雜度。

基于以太網(wǎng)通信的ROV通信系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 ROV通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

對(duì)于視頻信號(hào)，本研究對(duì)前、后攝像頭均采用網(wǎng)絡(luò)攝像頭直接與小型交換機(jī)連接，將網(wǎng)絡(luò)視頻信號(hào)經(jīng)過小型交換機(jī)和無線路由器傳輸至終端設(shè)備；對(duì)于數(shù)據(jù)信號(hào)，本研究采用串口服務(wù)器將微控制器輸出串口量轉(zhuǎn)化為以太網(wǎng)信號(hào)，經(jīng)過小型交換機(jī)和無線路由器傳輸至終端設(shè)備；對(duì)于控制信號(hào)，作業(yè)人員輸入的控制命令經(jīng)過無線路由器和小型交換機(jī)傳輸至串口服務(wù)器，串口服務(wù)器再將控制信號(hào)(以太網(wǎng)信號(hào))轉(zhuǎn)化為串口量給微控制器控制水下潛體的運(yùn)動(dòng)。終端設(shè)備只需與水下潛體各個(gè)設(shè)備的IP地址建立連接，即可與該設(shè)備進(jìn)行信號(hào)交換。該通信系統(tǒng)本質(zhì)是在水面控制平臺(tái)和水下潛體之間搭建一個(gè)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)，視頻、數(shù)據(jù)、控制信號(hào)可共用小型交換機(jī)到無線路由器這一鏈路，即臍帶纜中無需增加其他導(dǎo)線，電路中無需增加視頻信號(hào)選通電路，水面控制平臺(tái)就可以和水下潛體同時(shí)傳輸這3種信號(hào)。

作業(yè)人員只需要通過終端設(shè)備接入無線路由器的Wi-Fi，登錄客戶端軟件，即可獲取水下潛體的視頻和數(shù)據(jù)信號(hào)，對(duì)水下潛體進(jìn)行操控。

2 通信系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

水面控制平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)簡單，主要由無線路由器、顯示器、鍵盤和終端設(shè)備組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 水下潛體通信系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

該硬件結(jié)構(gòu)主要由電源管理模塊、前/后網(wǎng)絡(luò)攝像頭和STM32最小系統(tǒng)3部分組成。電源管理模塊通過DC-DC降壓穩(wěn)壓芯片MP1584和HT7833將鋰電池的輸出電壓(即圖中2中的BATT+)分別轉(zhuǎn)為12 V、5 V和3.3 V，為水下潛體內(nèi)的各種設(shè)備器件進(jìn)行供電。網(wǎng)絡(luò)攝像頭以T568B接線標(biāo)準(zhǔn)通過RJ45與小型交換機(jī)連接，接入到局域網(wǎng)內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備直接讀取網(wǎng)絡(luò)視頻信號(hào)。前后網(wǎng)絡(luò)攝像頭均采用1 920×1 080的分辨率，一共需要8 Mbps的通頻帶寬。無線路由器和小型交換機(jī)所采用的帶寬均為100 Mbps。微控制器采用STM32F103RCT6。微控制器通過串口服務(wù)器USR-K2接入到局域網(wǎng)內(nèi)。

USR-K2可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)串口到局域網(wǎng)間的數(shù)據(jù)雙向透明傳輸[7]。USR-K2對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行了格式轉(zhuǎn)換，使之可以在以太網(wǎng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀；同時(shí)USR-K2對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行判斷，并解析成串行數(shù)據(jù)發(fā)送至單片機(jī)串口。

3 通信系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

本文將通信系統(tǒng)程序分為水面控制平臺(tái)和水下潛體兩部分來設(shè)計(jì)，水面控制平臺(tái)選擇工作在客戶端模式，水下潛體選擇工作在服務(wù)器端模式。

對(duì)于多路的視頻信號(hào)，上位機(jī)采用實(shí)時(shí)流傳輸協(xié)議(RTSP)直接讀取各個(gè)攝像頭的視頻信號(hào)[8-9]；對(duì)于數(shù)據(jù)和控制信號(hào)，上位機(jī)采用TCP/IP通過串口服務(wù)器與水下潛體的微控制器進(jìn)行信息交換。上位機(jī)采用多線程編程技術(shù)以實(shí)現(xiàn)同時(shí)傳輸這3種信號(hào)。

3.1 數(shù)據(jù)(控制)信號(hào)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

由于微控制器和局域網(wǎng)之間使用串口服務(wù)器進(jìn)行通信，串口服務(wù)器實(shí)際的通信方式和串口通信一樣，在設(shè)計(jì)通信協(xié)議時(shí)，可以參考串口通信協(xié)議來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在ROV通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)信號(hào)是一幀一幀進(jìn)行發(fā)送的，每幀數(shù)據(jù)有8位數(shù)據(jù)位，即每幀數(shù)據(jù)僅能發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。而ROV所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中存在超過一個(gè)字節(jié)的情況(例如浮點(diǎn)型數(shù)據(jù))，所以在設(shè)計(jì)通信協(xié)議時(shí)，發(fā)送端首先會(huì)通過指針讀取每個(gè)數(shù)據(jù)在內(nèi)存中所實(shí)際存放的值，即把每個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為若干個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，然后再打包發(fā)送出去；接收端則利用C語言中的memcpy()函數(shù)將若干個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)重新轉(zhuǎn)換為原來的數(shù)據(jù)[9-10]。

為提高數(shù)據(jù)發(fā)送效率，降低收發(fā)雙方程序復(fù)雜度，所有的數(shù)據(jù)(控制)信號(hào)都是打包后再發(fā)送，而終端設(shè)備和STM32F103RCT6則使用相同的通信協(xié)議，對(duì)數(shù)據(jù)(控制)信號(hào)進(jìn)行打包或解析。

ROV通信協(xié)議數(shù)據(jù)包如表1所示。

表1 ROV通信協(xié)議數(shù)據(jù)包

數(shù)據(jù)包由起始標(biāo)志、數(shù)據(jù)(控制)信號(hào)、求和校驗(yàn)和結(jié)束標(biāo)志4部分組成，各部分的功能如下：

(1)起始標(biāo)志。占2個(gè)字節(jié)，表示開始發(fā)送一個(gè)新的數(shù)據(jù)包，本協(xié)議中規(guī)定為0x55和0x7F；

(2)數(shù)據(jù)(控制)信號(hào)。存放所要發(fā)送的數(shù)據(jù)或控制信號(hào)。在該協(xié)議中，每個(gè)控制信號(hào)占1個(gè)字節(jié)，用0至255表示不同的含義，每個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)占4個(gè)字節(jié)，存放不用類型的數(shù)據(jù)；

(3)求和校驗(yàn)。占2個(gè)字節(jié)，存放所有數(shù)據(jù)或控制信號(hào)求和后的值；

(4)結(jié)束標(biāo)志。占2個(gè)字節(jié)，表示一個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送結(jié)束，本協(xié)議中規(guī)定為0x0D和0x0A。

3.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)是在Windows 10環(huán)境下，利用Visual Studio 2010窗體應(yīng)用程序開發(fā)和C#編程語言進(jìn)行開發(fā)的。上位機(jī)可以劃分為視頻信號(hào)處理和與USR-K2建立連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制信號(hào)收發(fā)兩個(gè)線程。

對(duì)于數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的收發(fā)，上位機(jī)是在Microsoft. NET Framework 3.5組件下進(jìn)行開發(fā)的，該組件提供了TcpClient類，可為上位機(jī)提供客戶端連接和數(shù)據(jù)的收發(fā)[11-12]。在該組件下，上位機(jī)與USR-K2通信流程如圖3所示。

圖3 上位機(jī)與USR-K2通信流程

在程序中，上位機(jī)先創(chuàng)建TcpClient類的實(shí)例，然后使用TcpClient類的Connect()方法與服務(wù)器USR-K2建立連接，一旦連接成功，則說明上位機(jī)與USR-K2的通信信道建立完成，上位機(jī)可利用網(wǎng)絡(luò)流NetworkStream類的Write()方法來發(fā)送控制信號(hào)和Read()方法來讀取水下潛體返回的數(shù)據(jù)信號(hào)。當(dāng)上位機(jī)窗體關(guān)閉時(shí)，上位機(jī)則調(diào)用NetworkStream類的Close()方法和TcpClient類的Close()方法與USR-K2斷開連接。

對(duì)于視頻信號(hào)，上位機(jī)是利用RTSP進(jìn)行傳輸?shù)?。RTSP是一個(gè)多媒體流控制協(xié)議，在Visual Studio 2010窗體應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境下無法對(duì)RTSP進(jìn)行直接解析從而播放ROV的實(shí)時(shí)視頻，所以在開發(fā)環(huán)境中內(nèi)嵌一個(gè)VLC多媒體播放器。VLC多媒體播放器支持RTSP，可調(diào)用VLC相應(yīng)的函數(shù)。在程序的實(shí)際操作中，首先對(duì)VLC和與其對(duì)應(yīng)的pictureBox控件進(jìn)行初始化，然后調(diào)用VLC的視頻播放或存儲(chǔ)函數(shù)并傳遞需要操作的網(wǎng)絡(luò)攝像頭的RTSP地址，即可讀取或存儲(chǔ)該網(wǎng)絡(luò)攝像頭的視頻信號(hào)。

3.3 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

STM32F103RCT6是數(shù)據(jù)和控制信號(hào)收發(fā)的核心控制部件。為了保證ROV操縱的實(shí)時(shí)性，控制信號(hào)利用中斷來接收，而控制信號(hào)的解析和水下數(shù)據(jù)的打包發(fā)送則在主函數(shù)中完成，程序架構(gòu)采用典型的單片機(jī)前后臺(tái)系統(tǒng)，該架構(gòu)如圖4所示。

圖4 水下潛體程序架構(gòu)

前臺(tái)是串口接收中斷，每當(dāng)上位機(jī)將控制信號(hào)發(fā)送過來時(shí)，程序就會(huì)自動(dòng)進(jìn)入中斷開始接收控制信號(hào)；后臺(tái)是一個(gè)無限的循環(huán)，程序會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)(控制)信號(hào)通信協(xié)議對(duì)接收到的控制信號(hào)進(jìn)行解析進(jìn)而對(duì)水下潛體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，水下數(shù)據(jù)則根據(jù)數(shù)據(jù)(控制)信號(hào)通信協(xié)議進(jìn)行打包然后發(fā)送到上位機(jī)。

對(duì)于串口接收中斷，當(dāng)STM32F103RCT6接收到一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)自動(dòng)觸發(fā)一次串口接收中斷服務(wù)函數(shù)，其處理流程如圖5所示。

圖5 串口接收中斷處理流程

在串口接收中斷服務(wù)函數(shù)中，首先會(huì)判斷是否接收到起始標(biāo)志，若連續(xù)接收到的兩個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)分別為0x55和0x7F，即起始標(biāo)志，單片機(jī)就會(huì)開始接收控制命令并將其保存在數(shù)組中；當(dāng)單片機(jī)在接收的數(shù)據(jù)中判斷到有兩個(gè)連續(xù)的字節(jié)分別為0x0D和0x0A時(shí)，即結(jié)束標(biāo)志，則認(rèn)為一個(gè)數(shù)據(jù)包已經(jīng)接收完成，接收完成的數(shù)據(jù)包交由后臺(tái)程序進(jìn)行處理。

4 通信系統(tǒng)測(cè)試

完成通信系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)后，需要對(duì)通信系統(tǒng)的可行性和工作性能進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于硬件部分，本研究通過DOS窗口利用Ping命令(Ping+空格+IP地址)可檢查到前后攝像頭和USR-K2的網(wǎng)路已經(jīng)接通，即設(shè)備都已接入了ROV通信系統(tǒng)的局域網(wǎng)內(nèi)。

對(duì)于視頻和數(shù)據(jù)信號(hào)，可通過上位機(jī)界面來觀察傳輸情況，ROV上位機(jī)如圖6所示。

圖6 上位機(jī)界面

在傳輸距離超過60 m的情況下，上位機(jī)界面能夠正常顯示實(shí)時(shí)視頻和水下潛體返回的數(shù)據(jù)，視頻沒有出現(xiàn)卡頓和亂碼的現(xiàn)象，網(wǎng)絡(luò)傳輸流暢。

對(duì)于控制信號(hào)，首先，水下潛體通過STM32開發(fā)工具IAR Embedded Workbench進(jìn)行在線調(diào)試，通過在線調(diào)試窗口可觀察到控制信號(hào)傳輸正確。然后，將水下潛體放入水中對(duì)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)一步驗(yàn)證控制命令傳輸?shù)恼_性。

本研究通過上位機(jī)對(duì)水下潛體進(jìn)行控制，水下潛體能夠按照作業(yè)人員的操縱完成前進(jìn)和后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)、上升和下潛、前傾和后傾4個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，反應(yīng)靈敏、響應(yīng)速率快。測(cè)試結(jié)果表明：控制信號(hào)傳輸正常，網(wǎng)絡(luò)傳輸穩(wěn)定可靠，延遲較小。

5 結(jié)束語

本文采用以太網(wǎng)通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一套R(shí)OV通信系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了該通信系統(tǒng)的可行性。

整個(gè)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程表明：基于以太網(wǎng)的ROV通信系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，通信系統(tǒng)只需搭建一個(gè)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)即可完成ROV的通信任務(wù)。與以往的ROV通信系統(tǒng)相比，該通信系統(tǒng)的大部分功能都可通過軟件來實(shí)現(xiàn)，大大減少了硬件的開發(fā)成本和難度。測(cè)試結(jié)果證明了該通信系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，能滿足ROV控制系統(tǒng)的需求，而且通信質(zhì)量良好，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

參考文獻(xiàn)(References):

[1] 許競(jìng)克，王佑君，侯寶科，等.ROV的研發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2011，32(4)：71-74.

[2] 王新海，李首富，張 宴，等.水下探測(cè)機(jī)器人的研發(fā)與測(cè)試[J].兵工自動(dòng)化，2016，35(5)：88-91，96.

[3] 魏曉霞，蒲小瓊，馮 常.基于水下爬行機(jī)器人的機(jī)器手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械，2015(4)：77-80.

[4] 甘 永，王麗榮，劉建成，等.水下機(jī)器人嵌入式基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[J].機(jī)器人，2004，26(3)：246-249，255.

[5] 馮冬芹，金建祥，褚 健. Ethernet與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2003，24(1)：23-26，35.

[6] 朱大奇，余 劍. Seamor300水下機(jī)器人的通信與控制系統(tǒng)[J]. 系統(tǒng)仿真技術(shù)，2012，8(1)：46-50.

[7] 張瑋康，王冠學(xué)，徐國華，等.腹部作業(yè)型水下機(jī)器人控制系統(tǒng)研制[J].中國艦船研究，2017，12(2)：124-132.

[8] 郭 威，崔勝國，趙 洋，等.一種遙控水下機(jī)器人通信系統(tǒng)[J].電氣自動(dòng)化，2008，30(5)：34-35，40.

[9] 方 群，王 敏，吉 逸.基于RTSP/RTP的媒體點(diǎn)播服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2006，27(1)：4-6，108.

[10] 王宇雷，朱大奇.基于JAVA的新型ARV水下機(jī)器人通信及控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，44(S2)：7-11.

[11] 張 雷，徐 方，曲道奎.基于千兆以太網(wǎng)的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2003，23(S2)：209-211.

[12] 許真珍，徐紅麗，封錫盛.基于C/S模式的多水下機(jī)器人仿真平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)通信研究[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2006，23(5)：97-101.