白 樺，史 進(jìn)，朱大奇

(上海海事大學(xué) 水下機(jī)器人與智能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，上海201306)

無(wú)人潛水器又稱水下機(jī)器人，它又分為有纜遙控潛水器(remotely operated vehicle，ROV)和自治水下機(jī)器人(autonomous underwater vehicle，AUV)。ROV與水面母船用臍帶纜相連，臍帶纜既向下傳輸動(dòng)力，又實(shí)時(shí)雙向傳輸控制信號(hào)(由母船至ROV)和采集數(shù)據(jù)(由ROV至母船)。而AUV與母船之間則沒(méi)有物理連接，完全依靠自身攜帶的動(dòng)力以及機(jī)器的智能自主航行［1-2］。

自治-遙控水下機(jī)器人(ARV)的概念于2002年被提出，是一種新概念的水下機(jī)器人，它結(jié)合了AUV和ROV的特點(diǎn)。這種新型水下機(jī)器人具有兩種工作模式，既可以作為傳統(tǒng)的ROV使用又可作為AUV使用。目前，這種新型水下機(jī)器人的研究報(bào)道還很少，典型的有日本JEMSTEC公司研制的UROV［3-4］水下機(jī)器人、美國(guó)WOODSHOLE海洋研究院研制的HROV［5］水下機(jī)器人，國(guó)內(nèi)第一臺(tái)ARV是中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制的“SARV-A”水下機(jī)器人［6-7］。2011年上海海事大學(xué)與中船702研究所合作，在已有“海箏一號(hào)”的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出“海箏二號(hào)”ARV水下機(jī)器人。本文重點(diǎn)介紹“海箏二號(hào)”通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制。在已有VxWorks串口通信的研究中［8-9］，大多數(shù)僅針對(duì)串口通信的基本配置實(shí)現(xiàn)其基本功能。而本文則在串口通信的基本使用方法之上，引入了互斥鎖機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了半雙工通信。

1 Works系統(tǒng)介紹

考慮到ARV硬件系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性，采用VxWorks作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，數(shù)據(jù)傳輸采用RS-485串口通信方式。

VxWorks是美國(guó)Wind River System公司所推出的一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它支持幾乎所有現(xiàn)代市場(chǎng)上的嵌入式CPU，主要由以下部件組成。

1)內(nèi)核。采用基于優(yōu)先級(jí)搶占方式，同時(shí)支持同優(yōu)先級(jí)任務(wù)間的分時(shí)間片調(diào)度。

2)I/O系統(tǒng)。VxWorks提供了一個(gè)快速靈活的兼容ANSI的I/O系統(tǒng)，包括UNIX標(biāo)準(zhǔn)的Basic I/O，Buffer I/O以及POSIX標(biāo)準(zhǔn)的異步I/O。

3)文件系統(tǒng)。支持4種文件系統(tǒng):dosFs，rt11Fs，rawFs和tapeFs;支持在一個(gè)單獨(dú)VxWorks系統(tǒng)上同時(shí)并存幾個(gè)不同的文件系統(tǒng)。

4)網(wǎng)絡(luò)支持。提供了對(duì)其他VxWorks系統(tǒng)和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的“透明”訪問(wèn)。

2 硬件架構(gòu)

ARV分為水面部分和水下部分，通過(guò)光纖進(jìn)行通信，見(jiàn)圖1。

圖1 ARV硬件架構(gòu)

ARV通過(guò)光端機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)水面與水下的通信，主要配備了羅經(jīng)(附帶陀螺儀)、深度計(jì)等傳感器，以及水平推進(jìn)器和垂直推進(jìn)器控制系統(tǒng)。該ARV硬件系統(tǒng)采用基于PC/104平臺(tái)的嵌入式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖2。

圖2 ARV嵌入式版

嵌入式版提供了RS-232、RS-422、RS-485三種接口。RS-232雖然傳輸線少，配線簡(jiǎn)單，但其最大傳輸距離短，與ARV的設(shè)計(jì)需要不符。RS-422能傳1 200 m，但只能采用四線制的全雙工通信。RS-485的傳輸距離也可達(dá)1 200 m，其可以采用四線制的全雙工通信，也能采用二線制的半雙工通信?？紤]到ARV的實(shí)際設(shè)計(jì)需要，故采用RS-485二線制半雙工通信方式。為了實(shí)現(xiàn)可靠的長(zhǎng)距離傳輸，采用光纖為傳播介質(zhì)，在收發(fā)兩端各加一個(gè)光電轉(zhuǎn)換器，采用了傳播距離可達(dá)50 km的單模光纖傳輸方式。整體硬件通信框圖見(jiàn)圖3。

圖3 ARV硬件通信框圖

圖3 中，水面控制臺(tái)與光端機(jī)A屬于水面部分，其與光端機(jī)A采用RS-485轉(zhuǎn)光纖連接。光端機(jī)A與光端機(jī)B通過(guò)單模光纖通信。光端機(jī)B及剩下的模塊屬于水下部分。光端機(jī)B與嵌入式板通過(guò)RS-485通信。嵌入式板則通過(guò)A/D、D/A、RS-232、模擬I/O、數(shù)字I/O分別與深度計(jì)、推進(jìn)器、羅經(jīng)、監(jiān)測(cè)部件(如監(jiān)測(cè)電流、電壓的宇波模塊)、電源開(kāi)關(guān)(包括ARV的供電總開(kāi)關(guān)和推進(jìn)器、LED燈等的開(kāi)關(guān))等相連接。

3 軟件構(gòu)架

VxWorks支持多種啟動(dòng)方式(軟盤啟動(dòng)、U盤啟動(dòng)、硬盤啟動(dòng)、ROM啟動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng))。考慮到程序需要不斷調(diào)試，故在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采取FTP網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng):以上位機(jī)作為服務(wù)器，嵌入式版作為客戶端，通過(guò)網(wǎng)線連接。具體細(xì)節(jié)，見(jiàn)文獻(xiàn)［10］。

鑒于ARV的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性要求，該嵌入式版中的核心控制軟件采用多線程、帶有緩沖存儲(chǔ)的架構(gòu)，見(jiàn)圖4。

圖4 ARV軟件架構(gòu)圖

圖4 中，水面指水面控制臺(tái)，各部件指各設(shè)備(如羅經(jīng)、深度計(jì)、推進(jìn)器等)。中間的ARV指嵌入式版，如圖2所示，ARV中的BufToArv和BufToSub分別指水面至ARV各部件的緩沖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)和ARV各部件至水面的緩沖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。各箭頭指向是數(shù)據(jù)的流動(dòng)方向。read、write分別指設(shè)備讀寫數(shù)據(jù)。recT和senT分別指接收和發(fā)送線程。pack和unpack分別指對(duì)數(shù)據(jù)按照協(xié)議進(jìn)行打包和解包。

操作系統(tǒng)主要有4種結(jié)構(gòu):模塊組合結(jié)構(gòu)、層次結(jié)構(gòu)、虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)、客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)［11］?？紤]到層次結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，把整體局部化，各模塊之間的組織結(jié)構(gòu)和依賴關(guān)系清晰明了。鑒于開(kāi)發(fā)ARV的系統(tǒng)復(fù)雜度，采取層次結(jié)構(gòu)即可。圖4可理解為圖5所示的層次結(jié)構(gòu)。

圖5 ARV軟件層次結(jié)構(gòu)

圖5中，收發(fā)層對(duì)應(yīng)于圖4中的recT和SenT;讀寫層對(duì)應(yīng)于圖4中ARV與各部件之間的read和write。采用的收發(fā)格式協(xié)議見(jiàn)表1。

表1 ARV收發(fā)協(xié)議格式

其中，每個(gè)序號(hào)對(duì)應(yīng)1個(gè)字節(jié)，每個(gè)bit對(duì)應(yīng)1位，bit 0為最低位。水面計(jì)算機(jī)發(fā)送控制指令，以左尾推控制電壓，即第5、6個(gè)字節(jié)為例說(shuō)明;ARV向水面計(jì)算機(jī)發(fā)送狀態(tài)信息，以航向角，即第9、10個(gè)字節(jié)為例說(shuō)明。

1)推進(jìn)器數(shù)據(jù)格式。推進(jìn)器數(shù)據(jù)包括左主推、右主推、艏垂推、艉垂推控制電壓，輸入范圍為:-5 V～+5 V，程序?qū)⒃摂?shù)值除以5歸一化后，按以下協(xié)議解析。

推進(jìn)器數(shù)據(jù)幀格式通過(guò)兩位十六進(jìn)制高低字節(jié)表示，bit15、bit7恒為零，bit14表示數(shù)據(jù)正負(fù)，0表示“+”，1表示“-”，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)表2。

表2中的高低字節(jié)數(shù)據(jù)是已經(jīng)歸一化以后的數(shù)據(jù)，表中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)是以-1～1來(lái)代表電機(jī)的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，到下位機(jī)上時(shí)將其映射成0～4 095，最后再將其轉(zhuǎn)換成-5～5 V的點(diǎn)擊驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)控制推進(jìn)器。

推進(jìn)器電壓可通過(guò)式(1)求得。

式中:value(i)=0或1，當(dāng)value(14)=1時(shí)，

2)羅經(jīng)數(shù)據(jù)格式。所謂羅經(jīng)數(shù)據(jù)即角度數(shù)據(jù)，主要包括接收協(xié)議上的航向角、橫搖角、縱傾角等數(shù)據(jù)。范圍為0°～360°，精確到小數(shù)點(diǎn)后一位。以兩位高低字節(jié)十六進(jìn)制數(shù)表示，程序?qū)南挛粰C(jī)接收到的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成0～360°的角度數(shù)據(jù)的格式，bit15、bit7、bit4恒為零，其他位數(shù)據(jù)格式見(jiàn)表3。

表3中的數(shù)據(jù)是羅經(jīng)采集數(shù)據(jù)所編的協(xié)議，高字節(jié)是代表角度0～360°整數(shù)部分拆成的二進(jìn)制表示，低字節(jié)所表示的是小數(shù)點(diǎn)后面一位的數(shù)據(jù)，由于此數(shù)據(jù)只需要小數(shù)點(diǎn)后面一位就行了，所以只需用4位數(shù)字來(lái)組合即可。

此外，與推進(jìn)器數(shù)據(jù)類似，羅經(jīng)數(shù)據(jù)通過(guò)2進(jìn)制求10進(jìn)制數(shù)據(jù)可由式(2)求出。

式中:value(i)=0或1。

表2 推進(jìn)器數(shù)據(jù)格式

表3 羅經(jīng)數(shù)據(jù)格式

4 半雙工通信實(shí)現(xiàn)

由于二線制的RS-485只能實(shí)現(xiàn)半雙工通信，故必須采用一種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)RS-485硬件的共享。常見(jiàn)的并發(fā)機(jī)制有鎖、信號(hào)量、消息隊(duì)列、管道等?？紤]到RS-485在同一時(shí)間只能讀或者寫，即讀和寫不能同時(shí)發(fā)生，故采用互斥鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)半雙工通信。

4.1 串口通信

在編程中，引入對(duì)象互斥鎖的概念，是為了保證共享數(shù)據(jù)操作的完整性(原子性)。每個(gè)對(duì)象都對(duì)應(yīng)于一個(gè)可稱為“互斥鎖”的標(biāo)記，這個(gè)標(biāo)記用來(lái)保證任一時(shí)刻，只能有一個(gè)線程占用該對(duì)象。

VxWorks對(duì)于任務(wù)間的同步與通信提供了很好的支持。比如，VxWorks中有內(nèi)置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)SEM_ID，并提供了諸如semBCreate()、semMCreate()、semCCreate()、semDelete()、semTake()、semGive()、semFlush()信號(hào)量控制函數(shù)，函數(shù)具體說(shuō)明，請(qǐng)參閱文獻(xiàn)［10］。

為了實(shí)現(xiàn)RS-485的半雙工通信，在程序進(jìn)行初始化的時(shí)候，創(chuàng)建一個(gè)SEM_ID semMutex對(duì)象作為互斥信號(hào)量，并且調(diào)用semBCreate(SEM_Q_PRIORITY，SEM_FULL)對(duì)其進(jìn)行初始化。之后，當(dāng)讀寫(收發(fā))線程需要獨(dú)占RS-485硬件資源時(shí)，調(diào)用semTake(semMutex，WAIT_FOREVER)獲取該信號(hào)量;當(dāng)讀寫(收發(fā))線程完成工作后，調(diào)用semGive(semMutex)釋放該信號(hào)量。讀寫(收發(fā))線程的流程圖，見(jiàn)圖6。(注意:這里所說(shuō)的讀寫線程指的是圖5中水面與ARV之間的線程，而不是圖5中ARV與各部件之間的線程)。

圖6 ARV嵌入式版連接屏幕顯示

圖7 中，左邊為發(fā)送(寫)線程，左邊為接收(讀)線程。打開(kāi)讀文件，即以讀的方式打開(kāi)文件(RS485串口);打開(kāi)寫文件，即以寫的方式打開(kāi)文件(RS485)。其中，需要特別說(shuō)明的是，右邊讀進(jìn)程中的讀文件采用的是阻塞方法，因?yàn)槭前腚p工通信，寫進(jìn)程在讀進(jìn)程完成前，不會(huì)占用其資源。

圖7 互斥鎖機(jī)制

4.2 通信測(cè)試

本程序采用的協(xié)議頭為“A”、“R”、“V”，發(fā)送線程每幀的長(zhǎng)度相同。測(cè)試時(shí)，連接嵌入式版的顯示屏，見(jiàn)圖6，上位機(jī)啟動(dòng)串口調(diào)試器。

本程序的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 ARV半雙工通信測(cè)試結(jié)果

由表4可知，當(dāng)發(fā)送周期為100 ms，發(fā)送第20幀數(shù)據(jù)包的時(shí)候，程序就會(huì)接收到錯(cuò)誤信息;當(dāng)發(fā)送周期為180 ms時(shí)，不會(huì)接收到錯(cuò)誤信息，但是1 501個(gè)數(shù)據(jù)包，會(huì)丟失1個(gè)。通信調(diào)試過(guò)程中遇到如下問(wèn)題。

1)讀串口開(kāi)始及結(jié)束，當(dāng)打開(kāi)讀文件后，采用循環(huán)等待的接收方式，直到連續(xù)接收到協(xié)議頭“A”、“R”、“V”時(shí)，則認(rèn)為串口接收開(kāi)始并啟動(dòng)計(jì)數(shù)器。當(dāng)計(jì)數(shù)器值達(dá)到接收幀的長(zhǎng)度時(shí)，關(guān)閉讀文件。

2)通信數(shù)據(jù)的校驗(yàn)，通過(guò)每幀的最后一個(gè)字節(jié)累加和進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)錯(cuò)誤，則丟棄數(shù)據(jù)幀。

3)任何設(shè)備，其中斷數(shù)量都是有限的，當(dāng)多個(gè)設(shè)備使用同一個(gè)中斷向量時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生中斷沖突。本文通過(guò)半雙工通信，使用二線制的RS-485通信僅占用一個(gè)中斷向量即可以完成接收和發(fā)送工作。在研發(fā)此ARV的過(guò)程中，因?yàn)橛布J(rèn)設(shè)置中，8個(gè)串口本身都采用了中斷5，所以產(chǎn)生了沖突。解決方法為，屏蔽掉未使用的串口中斷7;把羅經(jīng)使用的RS-232串口改為中斷7，問(wèn)題得到解決。

通信測(cè)試結(jié)果說(shuō)明，采用半雙工通信時(shí)，當(dāng)周期=180 ms時(shí)，收發(fā)數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確;當(dāng)周期=200 ms時(shí)，收發(fā)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確;當(dāng)周期≤150 ms時(shí)，收發(fā)數(shù)據(jù)出錯(cuò)比較頻繁。故在ARV的實(shí)際開(kāi)發(fā)中，采用周期為200 ms。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了上海海事大學(xué)與中船702研究所合作開(kāi)發(fā)的ARV的系統(tǒng)組成及通信技術(shù)。分別從ARV的硬件架構(gòu)、控制軟件的軟件架構(gòu)，半雙工通信的實(shí)現(xiàn)以及軟件測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了詳述。從測(cè)試結(jié)果不難看出，當(dāng)控制程序周期在200 ms左右時(shí)，嵌入式版能較好地收發(fā)數(shù)據(jù)，符合ARV操控的實(shí)時(shí)性要求。其中基于互斥鎖機(jī)制實(shí)現(xiàn)的半雙工通信算法，對(duì)其他水下機(jī)器人開(kāi)發(fā)均有參考價(jià)值。目前的ARV系統(tǒng)主要是一基本功能平臺(tái)，下一步將進(jìn)行水下?tīng)顟B(tài)控制開(kāi)發(fā)、水下安全避障與軌跡跟蹤控制研究等。

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