楊培培，趙詩雅，劉瑞勇，付登昊，李 闖

（三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443000）

0 引 言

無人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）是一種新概念水下機(jī)器人，具備無人控制，自主導(dǎo)航與控制，自帶能源，帶有執(zhí)行機(jī)構(gòu)和推進(jìn)系統(tǒng)等特點(diǎn)。它主要應(yīng)用于海洋資源的勘測與開發(fā)、水下救援等方面，同時也是一種水下兵器，利用UUV可以進(jìn)行水下偵查、遙控獵雷和作戰(zhàn)等。目前，UUV的各個執(zhí)行系統(tǒng)、傳感器等電氣控制部件大量采用嵌入式處理器，系統(tǒng)的性能已臻于完善。但由于UUV內(nèi)部控制部件之間的互聯(lián)接口標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，連接過于復(fù)雜，限制了UUV系統(tǒng)的兼容與擴(kuò)展性。因此采用統(tǒng)一的通信及接口協(xié)議，并進(jìn)行模塊化，才可以滿足UUV任務(wù)多而復(fù)雜的系統(tǒng)重構(gòu)。

CAN總線技術(shù)是由BOSCH公司開發(fā)的最初用于汽車的局域網(wǎng)信息傳輸，其數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Mbit／s，已經(jīng)能滿足UUV系統(tǒng)內(nèi)部局域網(wǎng)控制信息的傳輸要求。本文論述了以CAN總線技術(shù)為通信基礎(chǔ)的UUV航向和深度控制的半實(shí)物仿真系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)，并給出了UUV航向和深度控制的半實(shí)物仿真結(jié)果。

1 UUV控制系統(tǒng)的體系構(gòu)架

UUV在水下自主航行時，利用多普勒計程儀（DVL）、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）共同組合導(dǎo)航來獲取UUV的運(yùn)動信息，中央控制單元對這些信息進(jìn)行處理和決策?；贑AN總線通信的UUV整體構(gòu)架如圖1。系統(tǒng)包括中央控制單元、舵機(jī)系統(tǒng)、水聲通信、主推進(jìn)器系統(tǒng)、組合導(dǎo)航系統(tǒng)、深度計、GPS接受系統(tǒng)和信息采集系統(tǒng)等。系統(tǒng)應(yīng)用了CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部的連接。

圖1 UUV信息系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

中央控制單元作為所有系統(tǒng)的主機(jī)，處理著來自CAN總線上各個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)與各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器、傳感器和其他部件進(jìn)行狀態(tài)的查詢和指令的下達(dá)，并且對整個CAN總線進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)CAN總線上出現(xiàn)故障信息，中控應(yīng)及時對故障進(jìn)行判別和處理。UUV控制分為有纜控制和自主航行控制。這里研究的是自主航行控制。

2 CAN總線標(biāo)志符設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)UUV模塊化設(shè)計，滿足無人水下機(jī)器人實(shí)時操作及自主控制的需要，確保無人水下機(jī)器人航行的安全性、可靠性，需要搭建合理的底層通信網(wǎng)絡(luò)。本文基于CAN通信采用Peli－CAN模式，在Peli－CAN工作模式下，獨(dú)立的CAN總線收發(fā)器SJA1000增加了一個包含很多個寄存器的組。為了實(shí)現(xiàn)CAN總線上各個部件之間的通信，采用了具有CAN接口的PC計算機(jī)進(jìn)行模擬UUV各個部件，建立了一個由各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)互聯(lián)的仿真平臺。CAN總線通信的核心是報文的標(biāo)志符（ID）、節(jié)點(diǎn)和仲裁機(jī)制。并且支持CAN2.0B協(xié)議規(guī)定的所有功能，其幀格式是包括29位標(biāo)識碼的擴(kuò)展幀，報文在傳輸?shù)臅r候有四種不同的幀類型：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯誤幀和過載幀。其中數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀能夠運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)幀（11位標(biāo)識符）和擴(kuò)展幀（29位標(biāo)識符）兩種格式，一個幀間間隔將它們與前面的幀分開。該通信標(biāo)準(zhǔn)定義為：標(biāo)識符由ID.0—ID.28組成，11位基本的ID、18位擴(kuò)展ID為其結(jié)構(gòu)所包括的兩個部分［1，2］。其中基本ID發(fā)送的順序是以ID.28—ID.18的順序發(fā)送的，它近似于標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識符的格式，擴(kuò)展幀的基本優(yōu)先權(quán)由基本ID定義。擴(kuò)展ID發(fā)送時以ID.17—ID.0的順序發(fā)送［3，4］。

3 UUV航向、深度控制仿真

3.1 UUV航向控制模型

航向控制模型框圖如圖2所示。航向控制器接收到航向設(shè)定的信號ψs，并且與來自慣導(dǎo)測量得到的無人水下航行器（UUV）此時的實(shí)際航向角信號ψT進(jìn)行比對，得到了二者的偏差，程序中再調(diào)用航向控制算法，計算出應(yīng)該給的舵角信息和操舵指令Us。與此同時舵機(jī)控制器給方向舵發(fā)命令操舵，從而算出應(yīng)該給的舵角信息并算出操舵指令Us，舵機(jī)控制器給方向舵發(fā)命令操舵，從而達(dá)到操舵的目的。并且將反饋信息T發(fā)給中央控制單元。正常情況下，在舵效的作用下，UUV會向著設(shè)定的航向角度轉(zhuǎn)動，慣導(dǎo)測量出此時的航向并將結(jié)果反饋給中控以此構(gòu)成閉環(huán)控制。

圖2 航向控制模型框圖

3.2 深度控制模型

深度控制模型由深度控制算法、圍殼舵、艉水平舵、深度計、慣導(dǎo)等組成，如圖3所示。

圖3 深度控制模型框圖

就這個模型而言，深度控制器主要把UUV預(yù)先設(shè)定的深度Zs與深度計實(shí)際測量得到的當(dāng)前深度ZT進(jìn)行比較得到偏差值，并且結(jié)合慣導(dǎo)測出的俯仰角和深度控制算法利用這些信息進(jìn)行處理，向舵機(jī)控制器發(fā)送偏差指令，與此同時執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行命令，讓無人水下航行器向設(shè)定的深度運(yùn)動，并反饋給中央控制單元，從而形成閉環(huán)控制。

3.3 半實(shí)物仿真系統(tǒng)

基于CAN總線技術(shù)的航向，深度控制半實(shí)物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4。仿真機(jī)建立UUV的模型，包括六個自由度的受力模型以及動力系統(tǒng)、浮力、均衡模型，并對UUV的6自由度非線性模型進(jìn)行仿真解算；采用半實(shí)物模擬機(jī)構(gòu)，即三軸轉(zhuǎn)臺，直觀地體現(xiàn)給定艉水平舵、艉垂直舵、圍殼舵舵角時，三軸轉(zhuǎn)臺的運(yùn)動狀態(tài)，分析反饋數(shù)據(jù)的正確性。在UUV預(yù)編程航行及自主航行時，觀察三軸轉(zhuǎn)臺的變化過程，分析其合理性。通過中央控制單元輸入的UUV定深航行的深度，模擬定深航行過程，分析到達(dá)預(yù)定深度的仿真波形圖；通過中央控制單元輸入UUV的航向，模擬定向航行過程，分析到達(dá)預(yù)定航向的仿真波形圖。

圖4 半實(shí)物仿真結(jié)構(gòu)圖

4 半實(shí)物仿真結(jié)果

UUV的航向、深度控制算法考慮到垂向速度以及俯仰角速度，由于UUV的排量較大，航速比較低，機(jī)動性能比較小，因此用圍殼舵和艉水平舵共同完成下潛和上浮運(yùn)動。而且UUV由水面下潛到目標(biāo)深度，并保持設(shè)定航向，這是UUV重要的動態(tài)工作過程。

圖5是采用圖4所示的半實(shí)物仿真系統(tǒng)進(jìn)行無人水下航行器的下潛和爬升能力的仿真。圖5主要給出了深度變化曲線、航向角變化曲線、俯仰角曲線和垂向速度曲線。

圖5 UUV定深20m，即深度從0變深到20m的航行曲線

此次定向定深航行過程中第240 s時航行深度第一次達(dá)到20 m，之后60 s發(fā)生了超調(diào)，超調(diào)量0.8 m左右，第400 s時航行深度收斂于20 s的設(shè)定深度值，具有較好的深度控制效果；由圖（b）可以看出，UUV在0到100的范圍內(nèi)產(chǎn)生了一個大的俯仰角，在200 s時俯仰角為0，此時系統(tǒng)檢測深度未到20 m，再次產(chǎn)生埋首的效果，直到第400 s系統(tǒng)深度到達(dá)20 m，實(shí)驗(yàn)艇開始抬首，此時抬首產(chǎn)生了一定的超調(diào)量。圖（c）中定向航行中航向角偏差不大。圖（d）中也對定深航行過程中（0到400 s的時間內(nèi)）的垂向速度進(jìn)行了分析，可以看出，在340 s左右，垂向速度由正值向負(fù)值過渡，以抵消超調(diào)。

5 結(jié) 論

通過對UUV半實(shí)物仿真的結(jié)果進(jìn)行分析，無人水下航行器的下潛過程工作穩(wěn)定，說明基于CAN總線UUV通信的航向、深度控制滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。采用CAN總線的無人水下航行器分布式控制系統(tǒng)的擴(kuò)展性，可靠性得到有效地提高，有利于縮短了UUV的研制周期，提高了UUV各個電子部件的更新?lián)Q代能力。滿足UUV的多任務(wù)要求，可以使整機(jī)系統(tǒng)具有良好的通信性能，具有重要的理論意義和廣泛的應(yīng)用前景。

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