白 樺，史 進，朱大奇

(上海海事大學 水下機器人與智能系統(tǒng)實驗室，上海201306)

無人潛水器又稱水下機器人，它又分為有纜遙控潛水器(remotely operated vehicle，ROV)和自治水下機器人(autonomous underwater vehicle，AUV)。ROV與水面母船用臍帶纜相連，臍帶纜既向下傳輸動力，又實時雙向傳輸控制信號(由母船至ROV)和采集數據(由ROV至母船)。而AUV與母船之間則沒有物理連接，完全依靠自身攜帶的動力以及機器的智能自主航行［1-2］。

自治-遙控水下機器人(ARV)的概念于2002年被提出，是一種新概念的水下機器人，它結合了AUV和ROV的特點。這種新型水下機器人具有兩種工作模式，既可以作為傳統(tǒng)的ROV使用又可作為AUV使用。目前，這種新型水下機器人的研究報道還很少，典型的有日本JEMSTEC公司研制的UROV［3-4］水下機器人、美國WOODSHOLE海洋研究院研制的HROV［5］水下機器人，國內第一臺ARV是中科院沈陽自動化研究所研制的“SARV-A”水下機器人［6-7］。2011年上海海事大學與中船702研究所合作，在已有“海箏一號”的基礎上，開發(fā)出“海箏二號”ARV水下機器人。本文重點介紹“海箏二號”通信系統(tǒng)的設計與研制。在已有VxWorks串口通信的研究中［8-9］，大多數僅針對串口通信的基本配置實現其基本功能。而本文則在串口通信的基本使用方法之上，引入了互斥鎖機制，實現了半雙工通信。

1 Works系統(tǒng)介紹

考慮到ARV硬件系統(tǒng)的可靠性、實時性，采用VxWorks作為開發(fā)環(huán)境，數據傳輸采用RS-485串口通信方式。

VxWorks是美國Wind River System公司所推出的一個實時操作系統(tǒng)，它支持幾乎所有現代市場上的嵌入式CPU，主要由以下部件組成。

1)內核。采用基于優(yōu)先級搶占方式，同時支持同優(yōu)先級任務間的分時間片調度。

2)I/O系統(tǒng)。VxWorks提供了一個快速靈活的兼容ANSI的I/O系統(tǒng)，包括UNIX標準的Basic I/O，Buffer I/O以及POSIX標準的異步I/O。

3)文件系統(tǒng)。支持4種文件系統(tǒng):dosFs，rt11Fs，rawFs和tapeFs;支持在一個單獨VxWorks系統(tǒng)上同時并存幾個不同的文件系統(tǒng)。

4)網絡支持。提供了對其他VxWorks系統(tǒng)和TCP/IP網絡系統(tǒng)的“透明”訪問。

2 硬件架構

ARV分為水面部分和水下部分，通過光纖進行通信，見圖1。

圖1 ARV硬件架構

ARV通過光端機來實現水面與水下的通信，主要配備了羅經(附帶陀螺儀)、深度計等傳感器，以及水平推進器和垂直推進器控制系統(tǒng)。該ARV硬件系統(tǒng)采用基于PC/104平臺的嵌入式結構設計，見圖2。

圖2 ARV嵌入式版

嵌入式版提供了RS-232、RS-422、RS-485三種接口。RS-232雖然傳輸線少，配線簡單，但其最大傳輸距離短，與ARV的設計需要不符。RS-422能傳1 200 m，但只能采用四線制的全雙工通信。RS-485的傳輸距離也可達1 200 m，其可以采用四線制的全雙工通信，也能采用二線制的半雙工通信。考慮到ARV的實際設計需要，故采用RS-485二線制半雙工通信方式。為了實現可靠的長距離傳輸，采用光纖為傳播介質，在收發(fā)兩端各加一個光電轉換器，采用了傳播距離可達50 km的單模光纖傳輸方式。整體硬件通信框圖見圖3。

圖3 ARV硬件通信框圖

圖3 中，水面控制臺與光端機A屬于水面部分，其與光端機A采用RS-485轉光纖連接。光端機A與光端機B通過單模光纖通信。光端機B及剩下的模塊屬于水下部分。光端機B與嵌入式板通過RS-485通信。嵌入式板則通過A/D、D/A、RS-232、模擬I/O、數字I/O分別與深度計、推進器、羅經、監(jiān)測部件(如監(jiān)測電流、電壓的宇波模塊)、電源開關(包括ARV的供電總開關和推進器、LED燈等的開關)等相連接。

3 軟件構架

VxWorks支持多種啟動方式(軟盤啟動、U盤啟動、硬盤啟動、ROM啟動、網絡啟動)。考慮到程序需要不斷調試，故在開發(fā)過程中，采取FTP網絡啟動:以上位機作為服務器，嵌入式版作為客戶端，通過網線連接。具體細節(jié)，見文獻［10］。

鑒于ARV的實時性、準確性要求，該嵌入式版中的核心控制軟件采用多線程、帶有緩沖存儲的架構，見圖4。

圖4 ARV軟件架構圖

圖4 中，水面指水面控制臺，各部件指各設備(如羅經、深度計、推進器等)。中間的ARV指嵌入式版，如圖2所示，ARV中的BufToArv和BufToSub分別指水面至ARV各部件的緩沖數據存儲區(qū)和ARV各部件至水面的緩沖數據存儲區(qū)。各箭頭指向是數據的流動方向。read、write分別指設備讀寫數據。recT和senT分別指接收和發(fā)送線程。pack和unpack分別指對數據按照協(xié)議進行打包和解包。

操作系統(tǒng)主要有4種結構:模塊組合結構、層次結構、虛擬機結構、客戶/服務器體系結構［11］。考慮到層次結構的優(yōu)點，把整體局部化，各模塊之間的組織結構和依賴關系清晰明了。鑒于開發(fā)ARV的系統(tǒng)復雜度，采取層次結構即可。圖4可理解為圖5所示的層次結構。

圖5 ARV軟件層次結構

圖5中，收發(fā)層對應于圖4中的recT和SenT;讀寫層對應于圖4中ARV與各部件之間的read和write。采用的收發(fā)格式協(xié)議見表1。

表1 ARV收發(fā)協(xié)議格式

其中，每個序號對應1個字節(jié)，每個bit對應1位，bit 0為最低位。水面計算機發(fā)送控制指令，以左尾推控制電壓，即第5、6個字節(jié)為例說明;ARV向水面計算機發(fā)送狀態(tài)信息，以航向角，即第9、10個字節(jié)為例說明。

1)推進器數據格式。推進器數據包括左主推、右主推、艏垂推、艉垂推控制電壓，輸入范圍為:-5 V～+5 V，程序將該數值除以5歸一化后，按以下協(xié)議解析。

推進器數據幀格式通過兩位十六進制高低字節(jié)表示，bit15、bit7恒為零，bit14表示數據正負，0表示“+”，1表示“-”，其結構見表2。

表2中的高低字節(jié)數據是已經歸一化以后的數據，表中的數據轉換成十進制數是以-1～1來代表電機的驅動數據，到下位機上時將其映射成0～4 095，最后再將其轉換成-5～5 V的點擊驅動電壓來控制推進器。

推進器電壓可通過式(1)求得。

式中:value(i)=0或1，當value(14)=1時，

2)羅經數據格式。所謂羅經數據即角度數據，主要包括接收協(xié)議上的航向角、橫搖角、縱傾角等數據。范圍為0°～360°，精確到小數點后一位。以兩位高低字節(jié)十六進制數表示，程序將從下位機接收到的十六進制數據格式轉換成0～360°的角度數據的格式，bit15、bit7、bit4恒為零，其他位數據格式見表3。

表3中的數據是羅經采集數據所編的協(xié)議，高字節(jié)是代表角度0～360°整數部分拆成的二進制表示，低字節(jié)所表示的是小數點后面一位的數據，由于此數據只需要小數點后面一位就行了，所以只需用4位數字來組合即可。

此外，與推進器數據類似，羅經數據通過2進制求10進制數據可由式(2)求出。

式中:value(i)=0或1。

表2 推進器數據格式

表3 羅經數據格式

4 半雙工通信實現

由于二線制的RS-485只能實現半雙工通信，故必須采用一種方式來實現對RS-485硬件的共享。常見的并發(fā)機制有鎖、信號量、消息隊列、管道等。考慮到RS-485在同一時間只能讀或者寫，即讀和寫不能同時發(fā)生，故采用互斥鎖來實現半雙工通信。

4.1 串口通信

在編程中，引入對象互斥鎖的概念，是為了保證共享數據操作的完整性(原子性)。每個對象都對應于一個可稱為“互斥鎖”的標記，這個標記用來保證任一時刻，只能有一個線程占用該對象。

VxWorks對于任務間的同步與通信提供了很好的支持。比如，VxWorks中有內置的數據結構SEM_ID，并提供了諸如semBCreate()、semMCreate()、semCCreate()、semDelete()、semTake()、semGive()、semFlush()信號量控制函數，函數具體說明，請參閱文獻［10］。

為了實現RS-485的半雙工通信，在程序進行初始化的時候，創(chuàng)建一個SEM_ID semMutex對象作為互斥信號量，并且調用semBCreate(SEM_Q_PRIORITY，SEM_FULL)對其進行初始化。之后，當讀寫(收發(fā))線程需要獨占RS-485硬件資源時，調用semTake(semMutex，WAIT_FOREVER)獲取該信號量;當讀寫(收發(fā))線程完成工作后，調用semGive(semMutex)釋放該信號量。讀寫(收發(fā))線程的流程圖，見圖6。(注意:這里所說的讀寫線程指的是圖5中水面與ARV之間的線程，而不是圖5中ARV與各部件之間的線程)。

圖6 ARV嵌入式版連接屏幕顯示

圖7 中，左邊為發(fā)送(寫)線程，左邊為接收(讀)線程。打開讀文件，即以讀的方式打開文件(RS485串口);打開寫文件，即以寫的方式打開文件(RS485)。其中，需要特別說明的是，右邊讀進程中的讀文件采用的是阻塞方法，因為是半雙工通信，寫進程在讀進程完成前，不會占用其資源。

圖7 互斥鎖機制

4.2 通信測試

本程序采用的協(xié)議頭為“A”、“R”、“V”，發(fā)送線程每幀的長度相同。測試時，連接嵌入式版的顯示屏，見圖6，上位機啟動串口調試器。

本程序的測試結果見表4。

表4 ARV半雙工通信測試結果

由表4可知，當發(fā)送周期為100 ms，發(fā)送第20幀數據包的時候，程序就會接收到錯誤信息;當發(fā)送周期為180 ms時，不會接收到錯誤信息，但是1 501個數據包，會丟失1個。通信調試過程中遇到如下問題。

1)讀串口開始及結束，當打開讀文件后，采用循環(huán)等待的接收方式，直到連續(xù)接收到協(xié)議頭“A”、“R”、“V”時，則認為串口接收開始并啟動計數器。當計數器值達到接收幀的長度時，關閉讀文件。

2)通信數據的校驗，通過每幀的最后一個字節(jié)累加和進行校驗，校驗錯誤，則丟棄數據幀。

3)任何設備，其中斷數量都是有限的，當多個設備使用同一個中斷向量時，就會產生中斷沖突。本文通過半雙工通信，使用二線制的RS-485通信僅占用一個中斷向量即可以完成接收和發(fā)送工作。在研發(fā)此ARV的過程中，因為硬件默認設置中，8個串口本身都采用了中斷5，所以產生了沖突。解決方法為，屏蔽掉未使用的串口中斷7;把羅經使用的RS-232串口改為中斷7，問題得到解決。

通信測試結果說明，采用半雙工通信時，當周期=180 ms時，收發(fā)數據較準確;當周期=200 ms時，收發(fā)數據更準確;當周期≤150 ms時，收發(fā)數據出錯比較頻繁。故在ARV的實際開發(fā)中，采用周期為200 ms。

5 結束語

本文介紹了上海海事大學與中船702研究所合作開發(fā)的ARV的系統(tǒng)組成及通信技術。分別從ARV的硬件架構、控制軟件的軟件架構，半雙工通信的實現以及軟件測試結果進行了詳述。從測試結果不難看出，當控制程序周期在200 ms左右時，嵌入式版能較好地收發(fā)數據，符合ARV操控的實時性要求。其中基于互斥鎖機制實現的半雙工通信算法，對其他水下機器人開發(fā)均有參考價值。目前的ARV系統(tǒng)主要是一基本功能平臺，下一步將進行水下狀態(tài)控制開發(fā)、水下安全避障與軌跡跟蹤控制研究等。

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