基于CAN總線的自主水下航行器分布式控制系統(tǒng)設(shè)計

董權(quán)威，王奧博，岳才謙，王亭亭

(中國航天空氣動力技術(shù)研究院，北京 100074)

0 引言

海洋作為資源豐富的能量儲備空間，有著十分重要的意義，同時伴隨著人類認(rèn)識海洋、開發(fā)海洋和保護(hù)海洋的進(jìn)程不斷發(fā)展，拓展海洋權(quán)益已日益成為各國爭先發(fā)展的重要目標(biāo)。作為海洋開發(fā)的重要平臺，自主水下航行器(AUV,autonomous underwater vehicle)可以在無人控制的狀態(tài)下全天候、多航時地自主完成水下任務(wù)，成為在民用領(lǐng)域和軍用領(lǐng)域中重要的海洋開發(fā)和安全保障的工具，并且獲得廣泛應(yīng)用[1]。民用領(lǐng)域，如海圖繪制、地形勘察和海底設(shè)備維護(hù)等；軍用領(lǐng)域，如海上預(yù)警、海底對抗、水下情報搜索、水下目標(biāo)搜索與打擊和戰(zhàn)區(qū)探測等[2-4]。

作為AUV的關(guān)鍵技術(shù)，控制系統(tǒng)設(shè)計的好壞決定了AUV系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性等性能是否滿足設(shè)計要求。傳統(tǒng)的AUV控制系統(tǒng)多采用集中式，即AUV的航行控制、任務(wù)管理與分配等均通過一臺主控計算機(jī)實現(xiàn)，當(dāng)主控計算機(jī)遇到故障而無法正常工作時，則AUV整個控制系統(tǒng)則面臨癱瘓的問題，因此難以保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。此外還存在計算量大的問題，難以同時完成水下復(fù)雜的航行任務(wù)，如導(dǎo)航解算、運(yùn)動控制、航路規(guī)劃、圖像數(shù)據(jù)采集與處理等。而分布式CAN總線串行通信網(wǎng)絡(luò)通信距離遠(yuǎn)、通信速率高、連接節(jié)點多、通信實時性強(qiáng)等特點，其可靠性與高性能已得到廣泛認(rèn)同，在工業(yè)自動化、船舶工程與工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[5-6]。

由于CAN總線可同時搭載多個節(jié)點，理論上沒有限制，受總線上實際電氣負(fù)載與時延的限制，隨著CAN總線上連接的節(jié)點增加，通信速度降低，連接的節(jié)點減少，則通信速度提高[7-8]。因此，對AUV的控制系統(tǒng)的功能進(jìn)行劃分，并將其拆分成由多個控制節(jié)點組成的分布式控制系統(tǒng)，各控制節(jié)點通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。當(dāng)AUV在水下運(yùn)行時，若某一個控制節(jié)點發(fā)生故障，通過分布式控制系統(tǒng)內(nèi)的安全保障單元或應(yīng)急處理單元接手并控制，可大大提升AUV控制系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)一步保證AUV水下航行安全。此外，各控制節(jié)點通過CAN總線直接進(jìn)行信息交互與數(shù)據(jù)傳輸，無需通過主控計算機(jī)，提高了系統(tǒng)整體的通信效率[9]。同時，采用CAN總線分布式控制系統(tǒng)便于后續(xù)擴(kuò)展與升級，當(dāng)需要增加新的控制節(jié)點或設(shè)備時，無需修改硬件，只需將其接入總線即可實現(xiàn)通信[10]。

根據(jù)AUV控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，本文提出了基于CAN總線的AUV分布式控制系統(tǒng)，包括地面監(jiān)控站、任務(wù)控制節(jié)點、導(dǎo)航控制節(jié)點、運(yùn)動控制節(jié)點、執(zhí)行節(jié)點、安保節(jié)點。其中，地面監(jiān)控站是AUV平臺的地面指揮控制端，其余節(jié)點置于航行器內(nèi)部。通過對AUV的分布式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、硬件架構(gòu)、硬件電路與軟件程序進(jìn)行設(shè)計，系統(tǒng)開發(fā)工作完成后，進(jìn)行了多次水下試驗，最終驗證了該設(shè)計方案的穩(wěn)定性與可靠性。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計要求

研發(fā)的該AUV平臺，尾部裝一個軸向推進(jìn)器為航行器提供航行動力，AUV后段和后段各裝有垂直推進(jìn)器和側(cè)向推進(jìn)器，通過不同推進(jìn)器間的配合，實現(xiàn)航行器的3維運(yùn)動控制。AUV的導(dǎo)航傳感器主要包括：慣導(dǎo)系統(tǒng)、超短基線、多普勒速度儀、GPS、深度計與高度計等。

對AUV控制系統(tǒng)的設(shè)計要求：1)對平臺內(nèi)部所有傳感器數(shù)據(jù)信息實時采集；2)試驗平臺具有較高精度的自主導(dǎo)航能力與運(yùn)動控制性能；3)能夠記錄所有的航行參數(shù)、導(dǎo)航控制參數(shù)與總線控制信息；4)具備故障診斷與緊急處理能力，保障試驗平臺安全[11]。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)上述設(shè)計要求，AUV控制系統(tǒng)采用分層式結(jié)構(gòu)，主要包含任務(wù)層、控制層與執(zhí)行層，各層由相應(yīng)控制節(jié)點構(gòu)成。其中，任務(wù)層負(fù)責(zé)完成與地面設(shè)備的信息交互、任務(wù)模式設(shè)定與傳感器信息存儲等；控制層負(fù)責(zé)完成航行器的導(dǎo)航、運(yùn)動控制等；執(zhí)行層負(fù)責(zé)完成對各推進(jìn)器、拋載機(jī)構(gòu)的控制。當(dāng)AUV在航行過程中，任務(wù)層與控制層的任務(wù)分別由任務(wù)控制節(jié)點、導(dǎo)航與運(yùn)動控制節(jié)點完成，執(zhí)行層則由推進(jìn)器和拋載共同完成。同時，在平臺的分布式控制系統(tǒng)中還包括數(shù)據(jù)記錄節(jié)點與故障診斷與應(yīng)急節(jié)點，分別用來記錄試驗平臺的航行參數(shù)與各傳感器信息，并根據(jù)各傳感器信息判斷AUV航行是否正常，并作出對應(yīng)的應(yīng)急處理措施。在實現(xiàn)時，由上層將任務(wù)分發(fā)給下層，下層在執(zhí)行前需等待上層控制指令，上層在下發(fā)新的控制指令前需確認(rèn)下層任務(wù)是否完成。各個指令的發(fā)送與完成都需要上層與下層的“握手”確認(rèn)。這種分層式體系結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)功能層次清晰，系統(tǒng)間通信可靠。試驗平臺的分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 AUV分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

其中，地面監(jiān)控站主要由控制單元與顯示單元組成，用以進(jìn)行指令傳輸、遠(yuǎn)程控制與AUV狀態(tài)監(jiān)控等。任務(wù)控制單元主要搭載任務(wù)載荷進(jìn)行水底搜探與水中識別等工作，如側(cè)掃聲吶與避障聲吶等，并負(fù)責(zé)完成AUV在水下航行過程中的任務(wù)分配、任務(wù)管理與控制等。同時搭載數(shù)傳電臺與水聲通信裝置實現(xiàn)水面與水下通信。在水面，利用數(shù)傳電臺與地面監(jiān)控站監(jiān)理通信，并接收上層地面監(jiān)控端的任務(wù)指令，完成對AUV預(yù)設(shè)的航行任務(wù)，反饋AUV自身狀態(tài)。在水下，通過水聲通信設(shè)備搭建水下通信鏈路，完成水下與水面端的數(shù)據(jù)交互。

控制層為導(dǎo)航與運(yùn)動控制單元，分為導(dǎo)航控制系統(tǒng)與運(yùn)動控制系統(tǒng)，導(dǎo)航控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)AUV在水下航行過程中的導(dǎo)航任務(wù)，記錄航行器水下的航行狀態(tài)，并實時采集AUV在航行過程中產(chǎn)生的導(dǎo)航信息，并進(jìn)行解算，最后通過CAN總線發(fā)送至運(yùn)動控制系統(tǒng)。運(yùn)動控制系統(tǒng)主要接收來自導(dǎo)航控制系統(tǒng)采集的AUV在航行過程中產(chǎn)生的航行狀態(tài)信息，如姿態(tài)、速度、位置、高度和深度等信息，并進(jìn)行解算，計算推力，然后將計算結(jié)果轉(zhuǎn)換成推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速控制信號，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)送給執(zhí)行層，驅(qū)動各執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的動作，進(jìn)而實現(xiàn)AUV的航向控制、定深航行、定高控制與航跡跟蹤等。

2.2 分布式控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計

AUV控制系統(tǒng)復(fù)雜度的增加，會使得系統(tǒng)內(nèi)部連線與接口更加復(fù)雜，同時會帶來設(shè)計成本高、裝配難度大、數(shù)據(jù)信息量大與可靠性差等問題。此時，若系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線的方式，則可有效解決該問題，并能實現(xiàn)多點對多點的通信。而CAN總線作為一種有效支持分布式控制和實時控制的串行現(xiàn)場總線，可工作在多主模式。在系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)中，各節(jié)點都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)，在數(shù)據(jù)傳輸方面具有顯著的優(yōu)勢，其協(xié)議的充分性與完整性，使得由它構(gòu)建的通信系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性與可靠性，也使CAN總線在AUV通訊系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。

本文提出的AUV分布式控制系統(tǒng)采用基于CAN總線的總線式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由任務(wù)控制系統(tǒng)、導(dǎo)航控制系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng)及安保系統(tǒng)4個控制節(jié)點構(gòu)成。其中，任務(wù)控制控制搭載超短基線、數(shù)傳電臺、側(cè)掃聲吶與避障聲吶，導(dǎo)航控制系統(tǒng)搭載慣導(dǎo)、多普勒速度儀、高度計、深度計與GPS模塊，運(yùn)動控制系統(tǒng)主要搭載各類推進(jìn)器，安保系統(tǒng)則主要保障AUV水下航行安全，集成了電源管理單元、應(yīng)急頻閃燈與拋載機(jī)構(gòu)等，以實現(xiàn)AUV內(nèi)部各節(jié)點、設(shè)備及相關(guān)組件的供電，并對供電進(jìn)行分配和管理，當(dāng)AUV出現(xiàn)電量不足或檢測到某個設(shè)備工作異常等情況，則進(jìn)行節(jié)能模式或設(shè)備斷電等操作。

圖2 基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)架構(gòu)

通過采用分布式CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)，對AUV內(nèi)硬件系統(tǒng)的功能進(jìn)行劃分與設(shè)計，根據(jù)實際需求，可將其劃分為多各控制節(jié)點，以便能更好地對AUV的控制系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)管理與規(guī)劃，提升AUV控制系統(tǒng)工作效率的同時，可大大提高AUV在水下航行的生存能力。在劃分的各控制節(jié)點內(nèi)，根據(jù)所搭載設(shè)備的接口要求進(jìn)行設(shè)計，以實現(xiàn)節(jié)點與設(shè)備的通信。同時，各控制節(jié)點間采用CAN總線進(jìn)行通信。對該系統(tǒng)而言，CAN總線共搭載4個控制節(jié)點，控制節(jié)點間為CAN總線通信，節(jié)點內(nèi)與設(shè)備間通信采用串口、網(wǎng)口等方式。即在整個分布式控制系統(tǒng)中，采用CAN總線通信方式為主，其他通信方式為輔，極大節(jié)省了各控制節(jié)點的接口資源，提高AUV內(nèi)搭載的各類傳感器的處理效率。

AUV內(nèi)搭載各種傳感器，任一傳感器在使用過程中通信鏈路出現(xiàn)故障都可能會連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致其他傳感器無法正常使用或影響控制系統(tǒng)正常運(yùn)行。通過設(shè)計的該分布式控制系統(tǒng)，可有效保障AUV內(nèi)控制節(jié)點與設(shè)備、控制節(jié)點間通信鏈路的實時性與可靠性，基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖2所示。

2.3 硬件電路設(shè)計

AUV的控制系統(tǒng)對于硬件的要求較高，在滿足高可靠與高性能的基礎(chǔ)上，應(yīng)具備比較穩(wěn)定可靠的通信鏈路，并能便于擴(kuò)展，當(dāng)根據(jù)任務(wù)需求，需要增加或減少控制節(jié)點時，可在不改變硬件條件的基礎(chǔ)上，對控制節(jié)點進(jìn)行增減，并且不會對其他控制節(jié)點造成影響?；诖耍瑢Ω骺刂乒?jié)點的主控單元及通信接口等進(jìn)行設(shè)計。

任務(wù)層內(nèi)控制節(jié)點的主控器基于PC104結(jié)構(gòu)，采用主控電路與通訊擴(kuò)展的方式進(jìn)行相關(guān)設(shè)計，具有多路串口、網(wǎng)口與CAN總線接口，可實現(xiàn)任務(wù)層中多路任務(wù)傳感器的數(shù)據(jù)采集及與其他控制節(jié)點間的CAN通信。其中主控電路板采用SCM9602，內(nèi)部采用Intel的超低功耗E3800型嵌入式CPU，主頻包括單核1.46 G到1.91 G，板載內(nèi)存4 GB，具有6路串口，2路網(wǎng)口。通信擴(kuò)展板采用M-CSD，該板具有4個光電隔離異步串口及兩路CAN總線接口，可擴(kuò)展任務(wù)控制節(jié)點的接口能力。

此外，其它控制節(jié)點采基于ARM的STM32F407ZGT6芯片作為MCU，該芯片的資源豐富，集成FPU和DSP指令，具有192 KB SRAM，1024 KB FLASH，內(nèi)部集成了6路串口與2路CAN口，可滿足各節(jié)點設(shè)備接口的使用要求。MCU內(nèi)部增強(qiáng)型bx-CAN控制器支持標(biāo)準(zhǔn)的CAN2.0A和CAN2.0B協(xié)議及遠(yuǎn)距離傳輸。正常通信時，總線傳輸速率可高達(dá)1 Mbps，CAN通信接口模塊設(shè)計是保持正常通信、數(shù)據(jù)可靠收發(fā)的關(guān)鍵。在此選用高集成度和高可靠性的CAN隔離收發(fā)器TJA1050模塊，該模塊通用性較強(qiáng)，支持任何一種CAN通信協(xié)議控制器，外圍接口電路較為簡單，在電路設(shè)計時，可直接將其引腳與MCU對應(yīng)的引腳連接即可，不需增加其他調(diào)理電路， 同時在CANH與CANL之間接入一個120 Ω終端電阻，主要用于進(jìn)行阻抗匹配，CAN總線接口電路如圖3所示。

圖3 CAN總線接口電路

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

AUV的控制結(jié)構(gòu)主要包括任務(wù)層、控制層與執(zhí)行層。內(nèi)部劃分有4個控制微機(jī)，分別為任務(wù)控制系統(tǒng)、導(dǎo)航控制系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng)與安保系統(tǒng)，任務(wù)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)AUV的任務(wù)規(guī)劃與管理，用于完成水下避碰、避障與航點規(guī)劃。導(dǎo)航控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成導(dǎo)航信息獲取、處理與解算。運(yùn)動控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)AUV的運(yùn)動控制，進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制與推力控制，為執(zhí)行層。安保系統(tǒng)負(fù)責(zé)AUV的水下航行安全，在航行過程中，若接收到來自其它控制節(jié)點的緊急拋載指令，如系統(tǒng)超時、超深、設(shè)備故障等，則觸發(fā)應(yīng)急拋載。

為保證AUV內(nèi)部分布式通信系統(tǒng)的可靠性與準(zhǔn)確性，對CAN總線通信協(xié)議進(jìn)行設(shè)計，一個CAN節(jié)點可控制多路設(shè)備，且只需要一個中斷號，在簡化硬件設(shè)計與電氣接線的同時，可進(jìn)一步簡化軟件設(shè)計。AUV的CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)采用CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)幀數(shù)據(jù)格式，總線上搭載的各分系統(tǒng)節(jié)點收發(fā)的數(shù)據(jù)為擴(kuò)展幀和數(shù)據(jù)幀，并根據(jù)各對各節(jié)點設(shè)置相應(yīng)的ID號。同時為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩?，CAN總線只發(fā)送控制指令幀、查詢幀與AUV的狀態(tài)反饋幀，各系統(tǒng)節(jié)點通過CAN總線實現(xiàn)指令的收發(fā)與狀態(tài)反饋。通信子程序主要由引腳配置、CAN總線初始化、指令收發(fā)與執(zhí)行等部分組成。各節(jié)點在進(jìn)行指令接收前，根據(jù)設(shè)定的CAN通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗，校驗通過后則觸發(fā)中斷并接收，數(shù)據(jù)接收后通過指令報文判斷數(shù)據(jù)指令類型，并執(zhí)行軟件設(shè)計的任務(wù)流程。

此外，CAN總線具有錯誤檢測、錯誤通知與錯誤恢復(fù)的功能。系統(tǒng)運(yùn)行時，檢測到錯誤節(jié)點后，會通知其他節(jié)點，若正在發(fā)生信息的節(jié)點檢測出錯誤后會進(jìn)行強(qiáng)制結(jié)束，并不斷反復(fù)重新發(fā)送直至成功。在錯誤處理過程中，CAN總線會判斷相應(yīng)的標(biāo)志位，對于一般節(jié)點，可對CAN控制器進(jìn)行重新初始化來恢復(fù)通信，CAN總線的軟件控制流程如圖4所示。

圖4 CAN總線軟件控制流程圖

4 實驗結(jié)果與分析

對AUV的CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計完成后，進(jìn)行硬件系統(tǒng)搭建及軟件程序設(shè)計，并進(jìn)行調(diào)試、測試與系統(tǒng)集成，最終對AUV進(jìn)行了湖態(tài)試驗與驗證。本次試驗主要的任務(wù)是驗證該分布式控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性。試驗流程如下：首先利用地面監(jiān)控站對AUV進(jìn)行狀態(tài)檢測，若監(jiān)測到反饋的AUV各項數(shù)據(jù)信息正常，則具備水下航行條件。在水面，通過地面站對AUV進(jìn)行任務(wù)裝訂，AUV接收指令并執(zhí)行，此時AUV的水下航行任務(wù)為航點跟蹤模式。首先AUV由起點航行至下潛點，AUV下潛后，根據(jù)設(shè)定的任務(wù)流程，依次按照航點1、航點2、航點3、航點4依次進(jìn)行定深尋點。在航行過程中，AUV通過前段和后段兩個垂直推進(jìn)器差動進(jìn)行深度調(diào)節(jié)，通過前后兩個側(cè)向推進(jìn)器差動進(jìn)行航行調(diào)節(jié)，以此保證AUV在深度和航向上航行的穩(wěn)定性。

圖5 AUV航行軌跡

對AUV在水下的航行數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，并根據(jù)航行數(shù)據(jù)繪制AUV在水下的航行軌跡，如圖5所示。由圖5可知，AUV按照預(yù)定航線依次到達(dá)航路點1至航路點4，到達(dá)最后一個航路點后上浮，出水后由地面監(jiān)控站接管，并通過數(shù)傳電臺監(jiān)測AUV反饋的狀態(tài)信息。可以看出，AUV準(zhǔn)確、完整的完成了預(yù)設(shè)的水下航行任務(wù)，在整個水下航行過程中各控制節(jié)點運(yùn)行穩(wěn)定，控制節(jié)點間CAN總線通信可靠，具有廣闊的工程應(yīng)用價值。

5 結(jié)束語

本文提出一種基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)設(shè)計方案，并將其集成并應(yīng)用到實體AUV平臺，通過岸上聯(lián)調(diào)測試，驗證該設(shè)計方案的可行性與實用性，并通過一系列的湖試與海試，該設(shè)計方案最終得到有效驗證。試驗結(jié)果表明，設(shè)計的分布式控制系統(tǒng)運(yùn)行性能良好，各分控制節(jié)點間通信穩(wěn)定，在保證AUV正常工作的情況下，亦滿足實時性、可靠性與可擴(kuò)展性的要求，具有較大的工程應(yīng)用價值。為進(jìn)一步滿足CAN總線通信的高可靠性，在后續(xù)工作中，需要對CAN總線的冗余性與總線切換問題做相關(guān)研究，保證CAN總線出現(xiàn)問題后，通過軟硬件的冗余，進(jìn)行自動切換，從而進(jìn)一步提升分布式控制系統(tǒng)中各控制節(jié)點通信的可靠性。