聶建多　褚振忠　朱大奇

摘要：

為提高自主式水下機(jī)器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）控制系統(tǒng)的魯棒性，將分層遞階結(jié)構(gòu)與包容式結(jié)構(gòu)相結(jié)合，提出了一種混合式控制體系結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)了基于VxWorks的微小型AUV控制系統(tǒng).該系統(tǒng)以“海事金槍魚(yú)”號(hào)AUV為載體，以嵌入式PC104計(jì)算機(jī)為系統(tǒng)核心，通過(guò)傳感器的信息融合、算法實(shí)現(xiàn)和多任務(wù)運(yùn)行，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器、舵、翼等執(zhí)行單元實(shí)現(xiàn)AUV的姿態(tài)調(diào)整、導(dǎo)航和路徑規(guī)劃，最終達(dá)到自主作業(yè)的目的.“海事金槍魚(yú)”號(hào)AUV的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，驗(yàn)證了方案的可行性以及控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性.

關(guān)鍵詞：

自主式水下機(jī)器人（AUV）； 混合式控制； VxWorks； 控制系統(tǒng)

0引言

自主式水下機(jī)器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）作為一種水下無(wú)人航行器，在21世紀(jì)軍

民應(yīng)用和海洋開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域擁有極其廣闊的應(yīng)用前景，已成為近年來(lái)海洋工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，特別是AUV核心技術(shù)之一的控制體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已成為實(shí)現(xiàn)其自主作業(yè)的關(guān)鍵所在.[12]目前，AUV的控制體系結(jié)構(gòu)大致可分為四大類：反應(yīng)式結(jié)構(gòu)、包容式結(jié)構(gòu)、分層遞階結(jié)構(gòu)和混合式結(jié)構(gòu).[3]為實(shí)現(xiàn)各體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可將不同體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合以構(gòu)建混合式控制體系結(jié)構(gòu).混合式控制體系結(jié)構(gòu)通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中各功能模塊進(jìn)行合理的分層布置，將反應(yīng)式結(jié)構(gòu)或包容式結(jié)構(gòu)與上層的推理、規(guī)劃有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，使它在面對(duì)復(fù)雜海洋環(huán)境時(shí)具有快速的反應(yīng)能力及較好的魯棒性.[46]

本文提出了一種基于VxWorks的微小型AUV控制系統(tǒng)，采取分層遞階結(jié)構(gòu)與包容式結(jié)構(gòu)相結(jié)合的控制體系結(jié)構(gòu).以“海事金槍魚(yú)”號(hào)AUV為載體，以多板嵌入式PC104計(jì)算機(jī)為核心，通過(guò)控制算法協(xié)調(diào)多任務(wù)工作以驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器、舵、翼等執(zhí)行單元，并聯(lián)合多傳感器的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行AUV的姿態(tài)調(diào)整、導(dǎo)航和路徑規(guī)劃等，真正實(shí)現(xiàn)自主式作業(yè).[7]

1“海事金槍魚(yú)”號(hào)AUV性能

“海事金槍魚(yú)”號(hào)AUV如圖1所示.該AUV由嵌入式控制系統(tǒng)、水下姿態(tài)平衡系統(tǒng)、導(dǎo)航與定位系統(tǒng)、可靠性安全系統(tǒng)、動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)及聲吶系統(tǒng)組成，可實(shí)現(xiàn)水下自主航行，具有目標(biāo)搜索和數(shù)據(jù)采集功能.[8]同時(shí)，AUV可實(shí)現(xiàn)水面與控制臺(tái)的實(shí)時(shí)通信，便于實(shí)時(shí)觀測(cè)各項(xiàng)數(shù)據(jù)及狀態(tài)參數(shù)，避免多種安全性問(wèn)題.與無(wú)人遙控潛水器（Remotely Operated Vehicle，ROV） 等水下機(jī)器人相比較，AUV不受纜線約束，作業(yè)深度和水域范圍大，工作效率高，機(jī)動(dòng)性能強(qiáng).這些特點(diǎn)決定了它在長(zhǎng)時(shí)間、大范圍搜索搜救任務(wù)上，具有明顯優(yōu)勢(shì).

圖1“海事金槍魚(yú)”號(hào)AUV

“海事金槍魚(yú)”號(hào)AUV的主要參數(shù)：AUV長(zhǎng)度為2.4 m，直徑0.24 m，空氣中質(zhì)量為70 kg，最大航速為4 kn，最大潛深為200 m，續(xù)航時(shí)間為4 h；慣性導(dǎo)航單元最大可測(cè)角速率為450°/s，最大可測(cè)加速度為50 m/s2；GPS跟蹤靈敏度為-162 dBm，捕獲靈敏度為-148 dBm；多普勒測(cè)速儀可測(cè)速度為0.03～50 m/s；模擬攝像頭參數(shù)為700 TVL，1 200 dpi，最低照度為0.01 lx；深度計(jì)采用電流輸出型，可測(cè)范圍為4～20 mA，誤差為0.1%；拖曳式聲吶頻率為700 kHz，可測(cè)深度為100 m.

2AUV整體控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

“海事金槍魚(yú)”號(hào)AUV屬于微小型AUV范疇，其控制體系結(jié)構(gòu)由分層遞階結(jié)構(gòu)與包容式結(jié)構(gòu)混合構(gòu)建，包括管理層、任務(wù)層和執(zhí)行層，見(jiàn)圖2.管理層作為整個(gè)系統(tǒng)的高級(jí)控制，統(tǒng)領(lǐng)任務(wù)運(yùn)作，抑制處理下層不良現(xiàn)象，使AUV系統(tǒng)可控性更強(qiáng)；任務(wù)層的主要功能是實(shí)現(xiàn)與高級(jí)控制和執(zhí)行機(jī)構(gòu)交換信息，保證AUV運(yùn)作穩(wěn)定；執(zhí)行層為整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)硬件部分，負(fù)責(zé)AUV的姿態(tài)調(diào)整、數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)參數(shù)反饋和安全可靠性監(jiān)測(cè)等.整個(gè)系統(tǒng)由無(wú)線串口與主控臺(tái)進(jìn)行通信，主控臺(tái)負(fù)責(zé)對(duì)AUV在水面航行過(guò)程中的各項(xiàng)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，并發(fā)送必要的操作命令.[10]

圖2“海事金槍魚(yú)”號(hào)AUV體系結(jié)構(gòu)

“海事金槍魚(yú)”號(hào)AUV的整個(gè)控制系統(tǒng)層次分明，聯(lián)系緊密，所采用的混合式體系結(jié)構(gòu)在復(fù)雜的水下環(huán)境中具有良好的應(yīng)變能力和堅(jiān)固性，在應(yīng)用中成效顯著.

2.1核心控制系統(tǒng)

考慮到水下機(jī)器人控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本和難度及控制難易等，傳統(tǒng)小型水下機(jī)器人多采用微控制器，包括單片機(jī)、DSP芯片和ARM處理器等.

單片機(jī)類微控制器，如AT89C51系列、FreeScale系列等，均具有軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、操作便捷、開(kāi)發(fā)難度小的特點(diǎn)，但內(nèi)存小，處理速度低，并且在多任務(wù)的復(fù)雜控制系統(tǒng)中難以達(dá)到穩(wěn)定的控制性能；DSP芯片在數(shù)據(jù)處理能力、性能穩(wěn)定性上雖較單片機(jī)有質(zhì)的飛躍，但并不具有實(shí)時(shí)處理能力，無(wú)法在多傳感器、多任務(wù)的AUV中應(yīng)用；ARM處理器具備了上述兩者的優(yōu)勢(shì)，不僅具有較高的工作頻率（最新的ARM11官方公布的主頻可達(dá)1 GHz），而且在數(shù)據(jù)處理能力方面也有很大的提升，但卻不具有內(nèi)存容量擴(kuò)展能力，不宜運(yùn)用于復(fù)雜系統(tǒng)的AUV設(shè)計(jì)中.因此，必須搭建一種兼顧高速數(shù)據(jù)處理，可進(jìn)行實(shí)時(shí)多任務(wù)、多傳感器信息采集的控制系統(tǒng).

PC104計(jì)算機(jī)是一款具有超低功耗，易于維護(hù)、擴(kuò)展、系列化、升級(jí)的多功能控制器，配合多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks使AUV的控制系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)，如將大大提升可擴(kuò)展性和降低系統(tǒng)復(fù)雜度[10].“海事金槍魚(yú)”號(hào)AUV核心控制系統(tǒng)即采用VxWorks實(shí)現(xiàn)，通過(guò)PC104計(jì)算機(jī)進(jìn)行搭載，其具體優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下方面.

（1）多任務(wù)調(diào)度.

“海事金槍魚(yú)”號(hào)AUV系統(tǒng)任務(wù)分為三大類：導(dǎo)航定位任務(wù)、傳感器數(shù)據(jù)采集任務(wù)和運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)，其功能由多個(gè)子任務(wù)分擔(dān)完成（如圖2所示）.AUV采用的VxWorks支持多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，同時(shí)采用基于優(yōu)先級(jí)的搶占式調(diào)度方式，保證了三大任務(wù)可以實(shí)時(shí)切換，實(shí)現(xiàn)近乎并行工作的效果.這樣既可以避免AUV單任務(wù)延遲導(dǎo)致的系統(tǒng)故障，又能保證整個(gè)系統(tǒng)的高效運(yùn)轉(zhuǎn).[11]

（2）強(qiáng)實(shí)時(shí)性.

VxWorks在PMI2下支持最高2 GHz主頻，使任務(wù)切換時(shí)間、中斷響應(yīng)時(shí)間可降至微秒級(jí)，再加上VxWorks本身對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的確定性保證，使其在處理外部事件（包括傳感、通信、運(yùn)動(dòng)控制等）和任務(wù)調(diào)度的過(guò)程中速度較微控制器大大提升.

（3）內(nèi)存優(yōu)勢(shì).

本系統(tǒng)中采用1 GB的系統(tǒng)內(nèi)存，為AUV三大任務(wù)及其子任務(wù)下的堆棧及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供了空間保障，避免了因內(nèi)存空間不足導(dǎo)致的系統(tǒng)異常.

（4）可靠性.

VxWorks采用分布式消息隊(duì)列和異常處理等機(jī)制，支持系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)和容錯(cuò)設(shè)計(jì)，具有系統(tǒng)異常自動(dòng)重啟功能，保障了AUV軟件設(shè)計(jì)的可靠性.

（5）高速非塊設(shè)備的采用.

在AUV系統(tǒng)中，鑒于系統(tǒng)反應(yīng)速度、操作簡(jiǎn)易程度等多方面考慮，本文中所提到的多板嵌入式控制系統(tǒng)采用的均為VxWorks下的非塊字符設(shè)備.字符設(shè)備隸屬于非塊設(shè)備類型，其驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單.它向上只與I/O系統(tǒng)接口，處于相對(duì)底層，在使用過(guò)程中均通過(guò)操作系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序，工作效率高.因此，在本文的多板嵌入式結(jié)構(gòu)中，外接的傳感器系統(tǒng)及控制單元等所使用的在板及外擴(kuò)設(shè)備，包括A/D設(shè)備、D/A設(shè)備、I/O設(shè)備和串口設(shè)備等，均采取字符設(shè)備操作，見(jiàn)圖3.

圖3VxWorks下的AUV具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)通過(guò)安裝各板卡的設(shè)備，如串行口，A/D與D/A轉(zhuǎn)換，數(shù)字I/O口，外部中斷處理等，拓寬核心控制系統(tǒng)的功能，提高整個(gè)VxWorks嵌入式系統(tǒng)的可用性和擴(kuò)展性，使AUV能充分利用其集成功能滿足自身多模塊業(yè)務(wù)需求.

2.2導(dǎo)航定位系統(tǒng)

導(dǎo)航定位系統(tǒng)分為水面GPS導(dǎo)航和水下慣性導(dǎo)航兩部分.AUV水面導(dǎo)航是通過(guò)GPS單元和姿態(tài)傳感器采集的經(jīng)緯度和姿態(tài)角，并聯(lián)合運(yùn)動(dòng)控制單元以及必要的導(dǎo)航定位算法實(shí)現(xiàn)的；AUV進(jìn)行水下導(dǎo)航時(shí)，由于無(wú)法獲取GPS信號(hào)，故GPS單元在水下航行中不起作用，導(dǎo)航任務(wù)由慣性模塊擔(dān)任.整個(gè)AUV導(dǎo)航定位系統(tǒng)均由VxWorks微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的AUV航向和路徑規(guī)劃，通過(guò)閉環(huán)控制AUV抵達(dá)目標(biāo)水域作業(yè)，以此來(lái)合理協(xié)調(diào)AUV的導(dǎo)航過(guò)程.[12]

2.3任務(wù)傳感系統(tǒng)

在“海事金槍魚(yú)”號(hào)AUV中，集成了一套完善的傳感器系統(tǒng)，由VxWorks微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集與處理，可應(yīng)對(duì)復(fù)雜的水下環(huán)境，保障AUV的整體安全性.[13]AUV任務(wù)傳感系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖4.

圖4AUV任務(wù)傳感系統(tǒng)架構(gòu)

考慮到AUV的性能及后續(xù)維護(hù)等，該系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)，不僅有利于故障排查與處理，而且提高了整個(gè)AUV系統(tǒng)的堅(jiān)固性.

2.4運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

針對(duì)微小型AUV的定深和定向動(dòng)作，開(kāi)發(fā)了一種新型的舵翼聯(lián)控運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng).該系統(tǒng)具有成本低、耗能少、性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)，其整體架構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5.

圖5AUV運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)作為執(zhí)行層乃至整個(gè)AUV硬件系統(tǒng)的最關(guān)鍵部分，負(fù)責(zé)AUV在水下的各自由度運(yùn)動(dòng)，由推進(jìn)器、方向舵和水平翼等三部分組成.[1415]

“海事金槍魚(yú)”采用軸向雙推進(jìn)器結(jié)構(gòu)，置于AUV尾部的兩側(cè)，通過(guò)VxWorks操作系統(tǒng)下安裝的非塊設(shè)備，進(jìn)行實(shí)時(shí)高效的控制，可進(jìn)行AUV的直行、后退、輔助轉(zhuǎn)向等動(dòng)作.

方向舵與水平翼具有相同結(jié)構(gòu)，由步進(jìn)電機(jī)（主動(dòng)輪）和槳葉（從動(dòng)輪）組成，用以實(shí)現(xiàn)AUV的航向和深度控制.圖6為實(shí)際舵、翼裝置圖，其具體工作原理如下：

①舵機(jī)角度采集.旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)時(shí)采集主動(dòng)輪的角度，由解碼器進(jìn)行解碼并轉(zhuǎn)換為8位可操作量，通過(guò)程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)，存儲(chǔ)于VxWorks系統(tǒng)中等待使用.

②舵機(jī)角度參數(shù)處理.管理層可完成對(duì)舵、翼的槳葉位置信息的解析，結(jié)合相應(yīng)算法得到當(dāng)前AUV的轉(zhuǎn)向和深度，并依據(jù)角度的正負(fù)值判斷出具體的姿態(tài)情況.

③舵機(jī)角度輸出.舵機(jī)的角度控制采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，經(jīng)管理層解析得到的舵機(jī)位置聯(lián)合AUV作業(yè)位置，由PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)實(shí)時(shí)修正舵機(jī)槳葉位置.

圖6舵、翼裝置圖

3試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證“海事金槍魚(yú)”號(hào)AUV所采用的控制體系結(jié)構(gòu)的可行性和有效性，在千島湖進(jìn)了水下自主航行試驗(yàn).首先，進(jìn)行基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)控制試驗(yàn)，包括自主定深控制、自主定向控制和方向切換控制，對(duì)所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理后繪制出試驗(yàn)圖，見(jiàn)圖7.由圖7可見(jiàn)“海事金槍魚(yú)”號(hào)AUV在自主控制上取得了良好的效果.

a）定深控制（1 m）

b）定深控制（2 m）

c）定向控制（目標(biāo)航向250°）

d）方向切換控制（航向由240°切換至40°）

圖7基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)控制試驗(yàn)

在基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)控制試驗(yàn)獲得較為滿意的結(jié)果后，進(jìn)行長(zhǎng)距離導(dǎo)航試驗(yàn).圖8為長(zhǎng)距離導(dǎo)航試驗(yàn)中的AUV實(shí)際軌跡和理論要求軌跡的曲線，通過(guò)對(duì)比可以看出，“海事金槍魚(yú)”號(hào)AUV不僅可靈活轉(zhuǎn)向并能保持指定航向順利航行，而且航向切換控制效果也非常明顯.

圖8長(zhǎng)距離導(dǎo)航試驗(yàn)

4結(jié)論

本文將分層遞階結(jié)構(gòu)與包容式結(jié)構(gòu)相結(jié)合，提出一種基于VxWorks的微小型AUV混合式體系結(jié)構(gòu)，研發(fā)出了基于該體系結(jié)構(gòu)的AUV控制系統(tǒng)，并通過(guò)“海事金槍魚(yú)”號(hào)AUV的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用驗(yàn)證了該體系結(jié)構(gòu)的可行性、堅(jiān)固性和智能性，真正實(shí)現(xiàn)了水下機(jī)器人的自主式作業(yè).

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（編輯趙勉）