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.