黃敬堯，楊爽，張超，趙慧杰，郭昊

（三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443002）

1 引言

水下自主機(jī)器人（AUV）已廣泛應(yīng)用于海洋考察、港口建設(shè)、海底設(shè)施維護(hù)、深水打撈、海軍防務(wù)等諸多領(lǐng)域，現(xiàn)已成為世界各國(guó)的研究熱點(diǎn)。由于AUV在水下航行條件惡劣，如何精確控制AUV 并解決其通訊問(wèn)題就顯得尤為重要，這就迫切需要一種合適的操作軟件，控制AUV的航行并監(jiān)視AUV 航行的狀態(tài)信息。對(duì)水下機(jī)器人的控制采用分布式控制，即通過(guò)上位機(jī)PC 實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的命令發(fā)送來(lái)實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)［1］。岸上的控制主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)及命令，位于AUV 控制艙的中央控制單元接收到數(shù)據(jù)及命令后，執(zhí)行動(dòng)作并將數(shù)據(jù)反饋到控制主機(jī)。

C#相對(duì)其它編程語(yǔ)言，具有精確、簡(jiǎn)單、類型安全的優(yōu)點(diǎn)［2］。由于使用Windows API 編程非常繁瑣、冗長(zhǎng)，本系統(tǒng)上位機(jī)軟件采用了C#語(yǔ)言在Visual Studio 2005.NET環(huán)境下編程完成［3］。本文基于C#語(yǔ)言在Visual Studio 2005.NET中的環(huán)境，依據(jù)面向?qū)ο缶幊痰乃枷?，開發(fā)了Windows 平臺(tái)下的操控界面，通過(guò)控制主機(jī)PC 對(duì)AUV進(jìn)行命令發(fā)送來(lái)實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)及功能，具有良好的可視性和靈活的可控性。

2 AUV 概述

該AUV 直徑324mm，總長(zhǎng)度約3m，總重量約為250kg，采用模塊化設(shè)計(jì)，分為五部分，從前往后依次是：頭部（載荷艙），聲通艙，電池艙，控制艙，推進(jìn)艙。頭部裝有CTD（溫鹽深傳感器）、聲通換能器?？刂婆搩?nèi)安裝有:中央控制器、多普勒計(jì)程儀、智 能 陀 螺 儀、GPS 系統(tǒng)、釋放機(jī)構(gòu)、深度傳感器和PDL 電臺(tái)。推進(jìn)艙內(nèi)安裝有：推進(jìn)電機(jī)、電機(jī)控制盒、航行姿態(tài)控制的水平舵和垂直舵。其中PDL 電臺(tái)用于AUV在水面時(shí)與岸上控制主機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)航行器運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控?？傮w模型如圖1中下方所示。

圖1 控制過(guò)程

AUV 控制主機(jī)控制中央控制單元模塊，從而控制電機(jī)、舵機(jī)、聲納艙及釋放機(jī)構(gòu)。電池組經(jīng)過(guò)電源分配器之后分別給電機(jī)與中央控制單元供電。AUV在水下航行時(shí)，DVL、慣導(dǎo)、深度計(jì)將數(shù)據(jù)反饋到中央控制單元，并將數(shù)據(jù)通過(guò)PDL 電臺(tái)傳輸?shù)紸UV 控制主機(jī)的顯示界面。具體電氣模塊如圖2 所示。

圖2 電氣模塊框圖

3 控制主機(jī)軟件設(shè)計(jì)

控制主機(jī)軟件數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線PDL 電臺(tái)進(jìn)行傳輸，控制AUV的航行速度、方向、下潛，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理，完成AUV 狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、顯示、圖像軌跡繪制等功能。從使用角度看包括兩大功能：（1）人機(jī)交換。操作人員可以通過(guò)控制主機(jī)輸入各類指令，包括手動(dòng)模式、自主模式、預(yù)編程模式，設(shè)定值主要包括航向、GPS、舵角、轉(zhuǎn)速，此外還有一些系統(tǒng)設(shè)置，如系統(tǒng)時(shí)間、母船GPS 等。（2）顯示功能?？刂浦鳈C(jī)把AUV的姿態(tài)及實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示出來(lái)，包括報(bào)警信號(hào)、通訊狀態(tài)、動(dòng)力電壓電流、推控電流、聲納電流功率、實(shí)際轉(zhuǎn)速、航速、GPS、深度、俯仰角、橫滾角及AUV的航行軌跡，讓操作人員直觀地了解AUV目前的狀況。本控制主機(jī)軟件是在Windows XP 系統(tǒng)下Visual Studio 2005.NET 編程環(huán)境中使用C#語(yǔ)言編程完成，并使用編程環(huán)境中的SerialPort 類實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信功能。SerialPort 類為應(yīng)用程序提供了通過(guò)串口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)便方法，具有功能強(qiáng)大、通信快速、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)［4］。

從軟件的實(shí)現(xiàn)功能來(lái)看，控制主機(jī)的功能分為串口通訊處理功能和圖形顯示功能。串口通訊功能主要實(shí)現(xiàn)控制主機(jī)與AUV的通訊，把控制指令通過(guò)無(wú)線PDL 電臺(tái)傳給AUV，同時(shí)AUV 也將自己的狀態(tài)信息反饋給控制主機(jī)。圖形顯示功能主要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)AUV的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，生成AUV的航行軌跡，從而可以直觀地得到AUV的實(shí)時(shí)信息。

3.1 串口通訊功能的實(shí)現(xiàn)

串行口是計(jì)算機(jī)與外圍數(shù)據(jù)源設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的重要介質(zhì)［5］。串行口數(shù)據(jù)的通訊是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的部分，本文中是采用Visual Studio2005中SerialPort 類設(shè)計(jì)方法進(jìn)行通信設(shè)置。

串口通信必須遵守一定的通信協(xié)議，才可實(shí)現(xiàn)該控制軟件與AUV的正常通信［6］。通信數(shù)據(jù)協(xié)議格式如表1 所示。

表1 通信數(shù)據(jù)協(xié)議格式

協(xié)議一共59個(gè)字節(jié)，存放在readBuffer 數(shù)組中，當(dāng)控制主機(jī)收到數(shù)組時(shí)，將readBuffer 信息處理成相對(duì)應(yīng)的含義數(shù)據(jù)，分別對(duì)應(yīng)GPS 經(jīng)度、緯度、航速、動(dòng)力電流電壓等一系列參數(shù)。

進(jìn)行串口通信時(shí)，首先添加SerialPort 控件，并設(shè)置一些相關(guān)參數(shù)，可以通過(guò)設(shè)置SerialPort 類的屬性來(lái)進(jìn)行。本文中串口屬性主要包括：PortName 串口名稱，BaudRate 波特率，DataBits 數(shù)據(jù)位，StopBits 停止位。

本設(shè)計(jì)中通過(guò)serialPortGPS 和serialPortPDL 接收數(shù)據(jù)引發(fā)事件，以serialPortGPS為例，在串口操作線程中用于讀取串口數(shù)據(jù)的主要代碼如下：

serialPortGPS.Read（readBuffer，0，readBuffer.Length）

串口中的數(shù)據(jù)要及時(shí)更新，然后把更新后的數(shù)據(jù)重新返回到控件中，但是在重新返回?cái)?shù)據(jù)的時(shí)候會(huì)報(bào)錯(cuò)，需要進(jìn)行異常處理，程序代碼如下：

主線程打開串口，進(jìn)行通訊的流程如圖3 所示。

圖3 通訊流程圖

3.2 圖形顯示功能實(shí)現(xiàn)

控制主機(jī)的圖形顯示主要就是為了把AUV的航行軌跡直觀地顯示出來(lái)，讓操作人員能夠方便地看到AUV的航行路徑。根據(jù)AUV實(shí)時(shí)上傳的GPS 與INS的數(shù)據(jù)，為確保將數(shù)據(jù)點(diǎn)更新到屏幕上，這就需要用到C#提供的GDI 繪制技術(shù)。

在C#中進(jìn)行繪圖，主要方法是定義一個(gè)窗體的Paint（）事件函數(shù)，在這個(gè)函數(shù)中實(shí)現(xiàn)繪圖，該函數(shù)在窗體需要重新繪制的時(shí)候被調(diào)用［7］。如圖5 所示的主界面，打開窗體時(shí)需要加載軌跡圖顯示區(qū)域，即實(shí)例化一個(gè)Graphics 繪圖類調(diào)用函數(shù)TranslateTransform（）函數(shù)，將原點(diǎn)位置設(shè)在軌跡圖顯示區(qū)域的中心，代碼如下：

繪制GPS 軌跡時(shí)，取原點(diǎn)經(jīng)度、緯度坐標(biāo)（x，y），AUV所在位置點(diǎn)的經(jīng)度、緯度坐標(biāo)為（x1，y1），要想得AUV的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以根據(jù)以下公式

其中，L為地球一分的長(zhǎng)度，即111120m。代碼實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

根據(jù)GPS 實(shí)時(shí)上傳的數(shù)據(jù)，最終可完成AUV 航行軌跡的繪制。

4 運(yùn)行效果及主要界面

本軟件經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行，能有效控制AUV在水面的航行狀態(tài)和在水下的航行過(guò)程，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。其主要運(yùn)行界面如圖4 示，分為四個(gè)區(qū)域。

圖4 主界面

圖5 自主航行功能參數(shù)設(shè)置窗口

界面左上角為軌跡圖顯示區(qū)，顯示水下航行器GPS軌跡（紅色）、INS軌跡圖（綠色），母船GPS 軌跡圖（藍(lán)色）。右下角區(qū)域?yàn)檐壽E圖的局部放大圖。

界面左下角為AUV 狀態(tài)顯示區(qū)域，包括潛航體的航向角、俯仰角、橫滾角、離地高度、深度及潛航體GPS 經(jīng)緯度、INS 經(jīng)緯度、潛航體航行模式、母船GPS經(jīng)緯度等。

界面右上角分5個(gè)部分：信號(hào)顯示區(qū)域、電池狀態(tài)區(qū)域、電機(jī)狀態(tài)顯示、舵機(jī)狀態(tài)顯示、舵機(jī)控制區(qū)域。

自主航行模式主要是通過(guò)設(shè)定多個(gè)點(diǎn)的經(jīng)緯度、深度及轉(zhuǎn)速，使AUV 按照設(shè)定的軌跡進(jìn)行航行。自主航行模式功能參數(shù)設(shè)置窗口如圖5。

預(yù)編程航行模式是通過(guò)設(shè)定AUV 轉(zhuǎn)速、航向、深度及航行時(shí)間，使AUV 按照預(yù)定參數(shù)進(jìn)行航行。預(yù)編程航行參數(shù)設(shè)置窗口如圖6。

圖6 預(yù)編程參數(shù)設(shè)置窗口

AUV 試驗(yàn)效果如圖7 所示。

圖7 AUV 湖試

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)湖上測(cè)試，AUV 試驗(yàn)效果良好，該控制軟件可以穩(wěn)定地操作并控制AUV的航行，順利地進(jìn)行下潛。軟件以良好的性能、友好的界面和簡(jiǎn)單的操作方法滿足了對(duì)AUV的操作。

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