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        基于LabView的水電廠檢測水下機(jī)器人上位機(jī)控制軟件設(shè)計

        2018-09-13 07:40:58曾廣移鞏宇王文輝張先奎覃丹
        無線互聯(lián)科技 2018年11期
        關(guān)鍵詞:實(shí)時控制

        曾廣移 鞏宇 王文輝 張先奎 覃丹

        摘要:文章介紹了一種用LabVIEW編寫的基于NI RT控制器的水下機(jī)器人上位機(jī)控制軟件。這套軟件用于實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的人機(jī)交互、數(shù)據(jù)記錄與顯示、上下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信以及對水下機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時控制。軟件采用LabVIEW經(jīng)典的生產(chǎn)者一消費(fèi)者模式,通過設(shè)置循環(huán)的優(yōu)先級和執(zhí)行時間,保證軟件在讀取狀態(tài)數(shù)據(jù)的同時,可以實(shí)時完成對機(jī)器人主體的控制。

        關(guān)鍵詞:水下機(jī)器人;LabVIEW;上位機(jī)軟件;實(shí)時控制

        水電廠檢測水下機(jī)器人主要用于靜水條件下檢測水電站大壩壩面(水下部分)、輸水管道、進(jìn)出水口閘門等水工建筑物和水工設(shè)備運(yùn)行狀況。由于水下環(huán)境較為復(fù)雜,其上位機(jī)控制軟件除了需要完成對水下機(jī)器人水下運(yùn)動的精確控制外,還需要其能在極短的時間內(nèi)反饋系統(tǒng)狀態(tài)信息,這就要求上位機(jī)控制軟件能實(shí)時快速地向下位機(jī)發(fā)送控制命令,同時快速獲取下位機(jī)的精確測量和反饋數(shù)據(jù),同時實(shí)現(xiàn)控制信號的精確微調(diào),各種應(yīng)急狀態(tài)的及時處理等[1]。

        1 系統(tǒng)架構(gòu)

        本文所述水下機(jī)器人上位機(jī)控制軟件,通過LabVIEW編寫,在NI RT控制器上實(shí)時運(yùn)行。軟件完成手操盒控制命令讀取,狀態(tài)顯示,運(yùn)動控制,自主返航,故障監(jiān)測,電源管理,設(shè)備控制,報警處理以及安全關(guān)機(jī)等功能。

        水下機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件分為水面控制單元(上位機(jī))和水下控制系統(tǒng)(下位機(jī)),二者都采用美國國家儀器(National Instruments,NI)的實(shí)時控制器,通過光纖以太網(wǎng)相連。上位機(jī)控制軟件主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互,數(shù)據(jù)存儲顯示,與外接設(shè)備(手操盒)通信,還有發(fā)送相關(guān)控制命令給下位機(jī)。

        水面控制單元的控制器采用CompactDAQ系列的控制器。這一系列的控制器可以外接顯示器、鼠標(biāo)鍵盤,自身帶有RS485串口,可以方便地與手持控制器(手操盒)等設(shè)備連接,體積小巧輕便,是一款理想的上位機(jī)。上位機(jī)接有鼠標(biāo)鍵盤和顯示器,并通過自身的RS485串口與手操盒連接。手操盒用于控制水下機(jī)器人的運(yùn)動[2]。

        2 上位機(jī)程序

        一個LabVIEW程序(VI)包括前面板和程序框圖。前面板是界面,沒有實(shí)際邏輯功能;程序框圖是程序邏輯和函數(shù)的組合,但是沒有顯示讀取功能。利用VI的這個特點(diǎn),將上位機(jī)程序分成兩部分:界面程序和主程序。界面程序只是在前面板顯示相關(guān)狀態(tài),進(jìn)行設(shè)備的控制,但程序框圖不執(zhí)行任何邏輯,只是將界面控件的引用傳遞給主程序;主程序的程序框圖執(zhí)行上位機(jī)程序的具體邏輯,但是前面板不具有實(shí)際意義的顯示功能,只是接收界面程序的控件引用。主程序?qū)嶋H上是界面程序的子程序。這樣做可以將界面的設(shè)計和邏輯程序的設(shè)計分開,適合復(fù)雜的人機(jī)交互程序應(yīng)用[3]。

        2.1 界面程序流程

        界面程序的程序框圖由一個順序結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)(見圖1)。這個順序結(jié)構(gòu)有3個幀:初始化、主程序和關(guān)閉。界面程序運(yùn)行時,首先執(zhí)行第一幀中的初始化子VI,將系統(tǒng)的各個狀態(tài)變量、輸出設(shè)為初始狀態(tài)。第一幀執(zhí)行完畢后,進(jìn)入第二幀。在自檢通過后,將各個控件的引用通過簇傳遞到主程序中,并調(diào)用執(zhí)行主程序。當(dāng)主程序執(zhí)行完畢退出后,執(zhí)行第三幀。第三幀中的關(guān)閉程序負(fù)責(zé)將輸出設(shè)為安全狀態(tài),結(jié)束程序。

        2.2 主程序架構(gòu)

        在主程序中采用程序架構(gòu)(見圖2)是基于命令的生產(chǎn)者一消費(fèi)者模式,這種模式利用命令隊列在兩個并行循環(huán)之間傳遞命令。其中一個循環(huán)發(fā)送命令,另外一個循環(huán)讀取并執(zhí)行命令。

        在命令發(fā)送循環(huán)中,有一個事件結(jié)構(gòu),同外層的while循環(huán)結(jié)構(gòu)構(gòu)成了一個循環(huán)事件結(jié)構(gòu)。在這個循環(huán)事件結(jié)構(gòu)中,0—4號事件是界面程序傳遞的控件引用引起的事件。5號事件是一個50 ms的超時事件。這個超時事件用于定時讀取串口。這個串口讀取事件循環(huán)用于讀取與串口連接的設(shè)備的數(shù)據(jù),如手操盒等。

        在循環(huán)事件結(jié)構(gòu)當(dāng)中,每一個事件的發(fā)生,都會向命令隊列中寫入一個命令,然后命令執(zhí)行循環(huán)讀取并執(zhí)行命令。命令的結(jié)構(gòu)是一個簇,這個簇包括兩個元素:上位機(jī)內(nèi)部命令內(nèi)容和上位機(jī)內(nèi)部命令數(shù)據(jù)。上位機(jī)內(nèi)部命令內(nèi)容是一個枚舉型變量,上位機(jī)內(nèi)部命令數(shù)據(jù)是一個變體,可以存放任意類型的數(shù)據(jù)。

        命令執(zhí)行循環(huán)中有一個類似于C語言中switch語句的條件結(jié)構(gòu)。讀取命令時,首先通過簇的“按名稱解除捆綁”VI將簇分解,根據(jù)上位機(jī)內(nèi)部命令內(nèi)容確定要執(zhí)行的分支。在不同的分支中,有不同的上位機(jī)內(nèi)部命令數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型,通過“變體至數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”VI將變體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)類型的數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。其中,在“control”分支中,將命令發(fā)送循環(huán)發(fā)送的串口數(shù)據(jù)通過基于網(wǎng)絡(luò)的共享變量送到下位機(jī)(見圖3)。

        在上位機(jī)中,除了有兩個主要的工作循環(huán)外,還有一個后臺程序,用于讀取、顯示和存儲下位機(jī)上傳的各個狀態(tài)數(shù)據(jù)。后臺程序可以不需要人為干預(yù),獨(dú)自運(yùn)行,優(yōu)先級最低[4]。

        3 控制系統(tǒng)通信

        水下機(jī)器人的控制系統(tǒng)需要上下位機(jī)之間進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)通信,這種通信類型是一種消息型通信。消息型通信發(fā)生的概率比較小,通常用于觸發(fā)事件(命令通信);同時,消息型通信也適用于發(fā)送容量固定的數(shù)據(jù),比如狀態(tài)數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)通信)。所以在本系統(tǒng)中系統(tǒng)通信采用這種類型的通信方式。系統(tǒng)通信是通過基于網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的共享變量(以下簡稱網(wǎng)絡(luò)共享變量)完成的。網(wǎng)絡(luò)共享變量常用于程序、系統(tǒng)或者硬件之間的數(shù)據(jù)命令通信。

        系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信比較簡單,優(yōu)先級也比較低,只是上位機(jī)和下位機(jī)中各有一個循環(huán)用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采用固定格式,定時發(fā)送。命令通信不是定時通信,所以采用基于網(wǎng)絡(luò)的命令觸發(fā)的方式??梢酝ㄟ^生產(chǎn)者一消費(fèi)者模式在并行循環(huán)中進(jìn)行命令觸發(fā)?;诰W(wǎng)絡(luò)的命令觸發(fā)也是采用一種類似的方法,只不過其中的命令是通過網(wǎng)絡(luò)共享變量完成,而不是通過隊列完成。這就是基于網(wǎng)絡(luò)的生產(chǎn)者一消費(fèi)者模式。

        基于網(wǎng)絡(luò)的生產(chǎn)者一消費(fèi)者模式與普通的生產(chǎn)者一消費(fèi)者模式的區(qū)別是命令載體是可以在網(wǎng)中傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)共享變量。命令的發(fā)送者與接收者也不是一個程序中的兩個并行循環(huán),而是來自兩個不同硬件設(shè)備的程序。在本系統(tǒng)中,命令的發(fā)送者是上位機(jī),命令的執(zhí)行者是下位機(jī)[5]。

        4 結(jié)語

        本文所述水下機(jī)器人上位機(jī)控制軟件采用中等規(guī)模LabVIEW程序當(dāng)中常用的生產(chǎn)者一消費(fèi)者模式。這種軟件模式經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn),是一種簡潔、高效的軟件架構(gòu)模式。在7K下機(jī)器人控制系統(tǒng)中,這種方式可以充分利用控制器實(shí)時性好的特點(diǎn),將讀取命令與執(zhí)行命令分開,并且可以通過設(shè)置低優(yōu)先級的循環(huán)來讀取狀態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用的檢驗(yàn),證明這種軟件模式可以應(yīng)用在水下機(jī)器人實(shí)時控制系統(tǒng)軟件中,在提高傳感器數(shù)據(jù)讀取速率的同時,可以實(shí)時有效地完成對機(jī)器人主體的功能控制。

        [參考文獻(xiàn)]

        [1]鄭發(fā)順.遙控水下機(jī)器人系統(tǒng)在水庫大壩水下檢查中的應(yīng)用[J].水利信息化,2014(4):45-49.

        [2]李福年,陳慕雄,田維坤.ROV原理及在阿海水電站工程中的應(yīng)用[J].云南水力發(fā)電,2013(3):119-121.

        [3]曾廣移,覃丹,鞏宇,等.一種具備ROV/AUV雙工模式的水電站檢測水下機(jī)器人研究[J].科技廣場,2017(9):74-78.

        [4]軟奇楨.我和LabVIEW:—個NI工程師的十年編程經(jīng)驗(yàn)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2012.

        [5]蔣新松.水下機(jī)器人[M].沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2000.

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