基于以太網(wǎng)的水下自主航行器分布式控制系統(tǒng)研究

胡 測,程彬彬,張 皓,李 速

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所, 湖北 宜昌 443003)

0 引言

水下自主航行器(AUV)是一種集成了人工智能、水下目標(biāo)探測和識別、數(shù)據(jù)融合、智能控制及導(dǎo)航通信各子系統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)[1]。作為一種水下無人平臺:一方面AUV在海洋調(diào)查、水文監(jiān)測以及海洋開發(fā)中具有廣闊的應(yīng)用前景;另一方面在水下信息獲取、精確打擊和“非對稱情報(bào)戰(zhàn)”中具有廣泛應(yīng)用,是“海上力量的倍增器”,因此AUV在世界各國中都是一個重要的研發(fā)領(lǐng)域,更是軍事強(qiáng)國努力打破軍事平衡的突破點(diǎn)[2-4]。目前,AUV技術(shù)仍處于基礎(chǔ)研究和試驗(yàn)開發(fā)階段,正逐步向智能化、自主化、模塊化和多任務(wù)化發(fā)展[5]。

我們采用模塊化設(shè)計(jì)思想研制了一款小型通用AUV,主要用于水文監(jiān)測、水下測繪以及遠(yuǎn)程水下目標(biāo)搜索。該AUV采用光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)、多普勒計(jì)程儀和GPS組成高精度導(dǎo)航系統(tǒng),控制方式上采用主推和舵機(jī)一體化的控制方案,通過主推和舵機(jī)的協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)AUV的運(yùn)動控制。

與傳統(tǒng)的主推電機(jī)和艏艉舵結(jié)合的控制方式不同,AUV的舵板安置在主推電機(jī)后方,通過整流罩和連接結(jié)構(gòu)與主推電機(jī)構(gòu)成一體,這樣不僅保證了AUV的流體性能還提高了舵板效率。由于AUV控制任務(wù)復(fù)雜多樣,傳感器設(shè)備種類繁多,傳統(tǒng)的艙段結(jié)構(gòu)難以滿足使用維護(hù)便捷、功能擴(kuò)展方便、后勤保障簡單的需求,采用標(biāo)準(zhǔn)模塊化設(shè)計(jì)能很好地滿足上述需求。

傳統(tǒng)的AUV控制系統(tǒng)大多采用基于CAN總線的架構(gòu),如高劍等人提出利用CAN總線實(shí)現(xiàn)AUV分布式控制,解決設(shè)備分散、通信線纜多的問題[6]。李治洋等人提出采用模塊化設(shè)計(jì),利用CAN總線板卡將中控計(jì)算機(jī)的RS232通信與設(shè)備的CAN通信兼容,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)和通信標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一[7]。但是基于CAN總線控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求高,設(shè)備間的總線阻抗難以較匹配,同時CAN總線通信速率和帶寬有限,難以滿足高分辨率傳感器(如高分辨率聲吶,高清攝像機(jī))數(shù)據(jù)傳輸需求?；谝蕴W(wǎng)的分布式控制系統(tǒng)在適用范圍、可擴(kuò)展性、抗單點(diǎn)故障以及高速寬帶通信等方面具有明顯優(yōu)勢,是小型通用AUV控制系統(tǒng)的較好選擇。

1 基于網(wǎng)絡(luò)的模塊化設(shè)計(jì)

1.1 模塊化總體設(shè)計(jì)

AUV系統(tǒng)模塊由頭部模塊、能源模塊、控制模塊、導(dǎo)航與定位模塊、推進(jìn)模塊和擴(kuò)展模塊組成[8],這些模塊通過一種獨(dú)特的 “快鎖”機(jī)構(gòu)安裝在一起,從而形成一個剛性耐壓殼體,模塊間通過標(biāo)準(zhǔn)圓形軍用連接器實(shí)現(xiàn)電氣連接。連接器將動力、傳輸控制協(xié)議和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議、遠(yuǎn)程程序調(diào)用以及異步數(shù)據(jù)等通過一個100 Mbit/s的以太網(wǎng)總線傳輸[9]。

AUV的每個模塊都是一個獨(dú)立運(yùn)行的單元,可在系統(tǒng)之外對這些獨(dú)立單元進(jìn)行充電、數(shù)據(jù)存取和處理。水面顯控臺可通過無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙或者水聲通信線路訪問AUV內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)可根據(jù)需求增加搭載模塊和能源模塊,提升續(xù)航力和任務(wù)執(zhí)行能力,圖1為AUV外形,圖2為一體化推進(jìn)舵機(jī)。

圖1 AUV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System composition of AUV

圖2 一體化推進(jìn)舵機(jī)Fig.2 Integrated propulsion rudder

1.2 分布式硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水下航行器的各模塊分布在不同位置,隨著控制系統(tǒng)復(fù)雜度的增加,設(shè)備之間的電纜連接帶來了設(shè)計(jì)成本、裝配、維護(hù)和可靠性等一系列問題。采用現(xiàn)場總線是理想選擇,不僅結(jié)構(gòu)簡單而且具有更好的抗干擾能力。

以太網(wǎng)是一種有效支持分布式控制和實(shí)時控制的串行現(xiàn)場總線,采用主動工作方式,通信速率達(dá)到100 Mbit/s。以太網(wǎng)總線具有總線偵聽機(jī)制,在同時有數(shù)據(jù)要在總線上傳輸時,以太網(wǎng)控制器會使僅有一個設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上,并且總線上的所有數(shù)據(jù)都可接收到總線數(shù)據(jù)。

以太網(wǎng)總線傳輸層數(shù)據(jù)沒有優(yōu)先級,總線沖突時隨機(jī)開始發(fā)送一組數(shù)據(jù)后開始另一組數(shù)據(jù),以太網(wǎng)控制器接收數(shù)據(jù)時根據(jù)優(yōu)先級優(yōu)先解析優(yōu)先級高的數(shù)據(jù),優(yōu)先級由IP地址表示。任何時刻在總線偵聽到總線空閑時,會立即選擇一個節(jié)點(diǎn)允許它發(fā)送數(shù)據(jù),一旦偵聽到總線忙則立即停止其他的數(shù)據(jù),依次選擇節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送,直至發(fā)送完畢為止。這些特點(diǎn)使得以太網(wǎng)總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時性強(qiáng),提高系統(tǒng)的可靠性和靈活性。

本文提出的分布式硬件系統(tǒng)采用以太網(wǎng)總線[10],總線節(jié)點(diǎn)由模塊內(nèi)ARM轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成。ARM芯片可靠性高,被廣泛用于嵌入式微控制器,它通過不同的串行總線標(biāo)準(zhǔn)(如RS-232、RS-422和SM總線)接收數(shù)據(jù)然后打包成用戶定制數(shù)據(jù)從網(wǎng)口輸出。同時軟件上屏蔽底層數(shù)據(jù)的接口,形成標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)接口與中央控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。這樣在減少連接電纜的同時增強(qiáng)信號的抗干擾性,提高信息傳輸速率,并有利于軟件標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化。硬件系統(tǒng)如圖3,信號傳輸網(wǎng)絡(luò)如圖4。

圖3 分布式硬件系統(tǒng)Fig.3 Distributed hardware system

圖4 基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸圖Fig.4 Data transmission based on Erthnet

1.3 分層式軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖5 分層式軟件架構(gòu)Fig.5 Hierarchical software architecture

AUV的控制軟件系統(tǒng)采用分層式架構(gòu)[11],共分為3層。

最上層為任務(wù)層。它為面向?qū)ο蟮挠脩艚缑?供用戶進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃、航路推算、能量評估以及對潛航器的實(shí)時操作。

第2層為自主層。由控制計(jì)算機(jī)內(nèi)嵌入式軟件實(shí)現(xiàn),自主層負(fù)責(zé)將接收到的規(guī)劃任務(wù)分解、處理、自決策水下避障、應(yīng)急處理以及協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的任務(wù)分配和執(zhí)行,從而實(shí)現(xiàn)AUV的安全自主航行。

最底層為執(zhí)行層。它包括頭部模塊、導(dǎo)航定位模塊、能源模塊、推進(jìn)模塊4個節(jié)點(diǎn),這些節(jié)點(diǎn)由以太網(wǎng)連接構(gòu)成完整的網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)內(nèi)部分布微控制器,專門處理節(jié)點(diǎn)內(nèi)部串行通信以及執(zhí)行命令等低級通信,控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作?？刂栖浖到y(tǒng)如圖4。

2 實(shí)航試驗(yàn)結(jié)果

AUV系統(tǒng)完成實(shí)驗(yàn)室調(diào)試,系統(tǒng)連調(diào)后開展路徑規(guī)劃、續(xù)航力及運(yùn)動能力實(shí)航試驗(yàn),驗(yàn)證該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。試驗(yàn)中考慮到安全性采用定深定速航行模式,航行深度20 m,速度3 kn,避碰距離小于30 m時應(yīng)急管理程序啟動,AUV上浮至水面,側(cè)掃聲吶在AUV掉頭過程中關(guān)閉以節(jié)省能源。

2.1 航路規(guī)劃試驗(yàn)

航路規(guī)劃試驗(yàn)通過任務(wù)層規(guī)劃任務(wù),任務(wù)剖面為:顯控設(shè)備遙控AUV至任務(wù)起始點(diǎn)后,下載任務(wù)規(guī)劃文件并啟動自主航行,AUV從水面自主航行到下潛點(diǎn),然后定深定速航行至搜索區(qū)域起點(diǎn)。到達(dá)搜索區(qū)域起點(diǎn)后,AUV定速定高“弓”字形搜索,搜索任務(wù)完成后AUV從搜索區(qū)域終點(diǎn)上浮至一定深度,再定速航行至出水點(diǎn)并自主航行到任務(wù)結(jié)束點(diǎn),顯控設(shè)備遙控AUV運(yùn)動至母船。圖6為任務(wù)層規(guī)劃的路徑,圖7為AUV慣導(dǎo)數(shù)據(jù)給出的實(shí)際航跡。

從圖7中可看出AUV實(shí)際航跡同規(guī)劃航跡基本保持一致,試驗(yàn)中無故障發(fā)生,數(shù)據(jù)記錄完整。表明:基于以太網(wǎng)的分布式控制系統(tǒng)和分層式軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理,運(yùn)行可靠,能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的航行控制。

圖6 AUV規(guī)劃航路Fig.6 Planned path of AUV

圖7 AUV實(shí)際航路Fig.7 Actual path of AUV

2.2 長航程試驗(yàn)

長航程試驗(yàn)可驗(yàn)證能源模塊的性能和控制系統(tǒng)的航行控制性能,任務(wù)剖面如下:AUV配備一套能源模塊,顯控設(shè)備規(guī)劃航行任務(wù),通過軟件計(jì)算設(shè)定規(guī)劃任務(wù)為8 h,設(shè)定AUV工作模式為3 kn速度定高航行,下載任務(wù)至AUV,啟動任務(wù),AUV開始自主航行。AUV航行距離如圖8,航行速度如圖9。

圖8 AUV航行距離Fig.8 Travel distance of AUV

圖9 AUV航行速度Fig.9 Route speed of AUV

圖8中可看出AUV全航程水下航行7.5 h,距離達(dá)到47 km。圖9中速度坐標(biāo)為10倍乘,由圖可知AUV速度穩(wěn)定在1.5 m/s、 3 kn左右, 當(dāng)AUV轉(zhuǎn)彎時(如圖“凹”峰所示)速度會下降,表明AUV遠(yuǎn)程航行時,控制系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠控制速度和姿態(tài)。

2.3 地形掃描試驗(yàn)

為驗(yàn)證AUV水下工作的姿態(tài)穩(wěn)定性,AUV搭載側(cè)掃聲吶開展地形掃面試驗(yàn),試驗(yàn)任務(wù)剖面為:選取地形變化較為平緩的水域,顯控設(shè)備規(guī)劃“弓”字形區(qū)域掃描,設(shè)定模式為定高航行,遙控AUV至任務(wù)起點(diǎn)后,AUV自主開啟聲吶按規(guī)劃路徑掃面地形。地形掃面結(jié)果如圖10。

圖10 AUV水下地形掃描Fig.10 Underwater topographic scanning of AUV

圖10給出了AUV所攜帶的側(cè)掃聲吶水下地形掃描情況,圖像清楚地顯示了水下的河道、山丘、溝壑、硬質(zhì)沉物等。側(cè)掃聲吶圖像準(zhǔn)確、連續(xù)、清晰地表明AUV水下航行橫滾、縱傾姿態(tài)平穩(wěn),速度穩(wěn)定,保證了側(cè)掃聲吶的探測效果。

3 結(jié)束語

本文針對小型、通用AUV平臺控制系統(tǒng)需求提出了一種基于以太網(wǎng)的分布式控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)硬件采用基于以太網(wǎng)的分布式架構(gòu),利用模塊內(nèi)獨(dú)立的控制器實(shí)現(xiàn)與中央控制計(jì)算機(jī)的任務(wù)層通信和模塊內(nèi)部執(zhí)行機(jī)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行層通信,在大大減小系統(tǒng)信號傳輸線、提高信號傳輸速率和帶寬的同時增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性?？刂葡到y(tǒng)軟件采用分層控制方式,將實(shí)時任務(wù)和節(jié)點(diǎn)控制命令分離,提高了軟件的升級、維護(hù)和功能擴(kuò)展能力。但控制系統(tǒng)運(yùn)行效率、實(shí)時性以及控制算法魯棒性方面需進(jìn)一步試驗(yàn)改進(jìn),提高系統(tǒng)性能。