基于以太網的水下自主航行器分布式控制系統研究

胡 測,程彬彬,張 皓,李 速

(中國船舶重工集團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、水下目標探測和識別、數據融合、智能控制及導航通信各子系統的復雜系統[1]。作為一種水下無人平臺:一方面AUV在海洋調查、水文監測以及海洋開發中具有廣闊的應用前景;另一方面在水下信息獲取、精確打擊和“非對稱情報戰”中具有廣泛應用,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領域,更是軍事強國努力打破軍事平衡的突破點[2-4]。目前,AUV技術仍處于基礎研究和試驗開發階段,正逐步向智能化、自主化、模塊化和多任務化發展[5]。

我們采用模塊化設計思想研制了一款小型通用AUV,主要用于水文監測、水下測繪以及遠程水下目標搜索。該AUV采用光纖捷聯慣導、多普勒計程儀和GPS組成高精度導航系統,控制方式上采用主推和舵機一體化的控制方案,通過主推和舵機的協同工作實現AUV的運動控制。

與傳統的主推電機和艏艉舵結合的控制方式不同,AUV的舵板安置在主推電機后方,通過整流罩和連接結構與主推電機構成一體,這樣不僅保證了AUV的流體性能還提高了舵板效率。由于AUV控制任務復雜多樣,傳感器設備種類繁多,傳統的艙段結構難以滿足使用維護便捷、功能擴展方便、后勤保障簡單的需求,采用標準模塊化設計能很好地滿足上述需求。

傳統的AUV控制系統大多采用基于CAN總線的架構,如高劍等人提出利用CAN總線實現AUV分布式控制,解決設備分散、通信線纜多的問題[6]。李治洋等人提出采用模塊化設計,利用CAN總線板卡將中控計算機的RS232通信與設備的CAN通信兼容,實現系統模塊化設計和通信標準的統一[7]。但是基于CAN總線控制系統節點拓撲結構要求高,設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)數據傳輸需求?；谝蕴W的分布式控制系統在適用范圍、可擴展性、抗單點故障以及高速寬帶通信等方面具有明顯優勢,是小型通用AUV控制系統的較好選擇。

1 基于網絡的模塊化設計

1.1 模塊化總體設計

AUV系統模塊由頭部模塊、能源模塊、控制模塊、導航與定位模塊、推進模塊和擴展模塊組成[8],這些模塊通過一種獨特的 “快鎖”機構安裝在一起,從而形成一個剛性耐壓殼體,模塊間通過標準圓形軍用連接器實現電氣連接。連接器將動力、傳輸控制協議和用戶數據報協議、遠程程序調用以及異步數據等通過一個100 Mbit/s的以太網總線傳輸[9]。

AUV的每個模塊都是一個獨立運行的單元,可在系統之外對這些獨立單元進行充電、數據存取和處理。水面顯控臺可通過無線局域網、藍牙或者水聲通信線路訪問AUV內部網絡。系統可根據需求增加搭載模塊和能源模塊,提升續航力和任務執行能力,圖1為AUV外形,圖2為一體化推進舵機。

圖1 AUV系統結構圖Fig.1 System composition of AUV

圖2 一體化推進舵機Fig.2 Integrated propulsion rudder

1.2 分布式硬件系統設計

水下航行器的各模塊分布在不同位置,隨著控制系統復雜度的增加,設備之間的電纜連接帶來了設計成本、裝配、維護和可靠性等一系列問題。采用現場總線是理想選擇,不僅結構簡單而且具有更好的抗干擾能力。

以太網是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行現場總線,采用主動工作方式,通信速率達到100 Mbit/s。以太網總線具有總線偵聽機制,在同時有數據要在總線上傳輸時,以太網控制器會使僅有一個設備發送數據到總線上,并且總線上的所有數據都可接收到總線數據。

以太網總線傳輸層數據沒有優先級,總線沖突時隨機開始發送一組數據后開始另一組數據,以太網控制器接收數據時根據優先級優先解析優先級高的數據,優先級由IP地址表示。任何時刻在總線偵聽到總線空閑時,會立即選擇一個節點允許它發送數據,一旦偵聽到總線忙則立即停止其他的數據,依次選擇節點數據進行發送,直至發送完畢為止。這些特點使得以太網總線構成的網絡結構數據傳輸實時性強,提高系統的可靠性和靈活性。

本文提出的分布式硬件系統采用以太網總線[10],總線節點由模塊內ARM轉換芯片構成。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準(如RS-232、RS-422和SM總線)接收數據然后打包成用戶定制數據從網口輸出。同時軟件上屏蔽底層數據的接口,形成標準化的數據接口與中央控制計算機進行通信。這樣在減少連接電纜的同時增強信號的抗干擾性,提高信息傳輸速率,并有利于軟件標準化和模塊化。硬件系統如圖3,信號傳輸網絡如圖4。

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

圖4 基于網絡的數據傳輸圖Fig.4 Data transmission based on Erthnet

1.3 分層式軟件系統設計

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

AUV的控制軟件系統采用分層式架構[11],共分為3層。

最上層為任務層。它為面向對象的用戶界面,供用戶進行任務規劃、航路推算、能量評估以及對潛航器的實時操作。

第2層為自主層。由控制計算機內嵌入式軟件實現,自主層負責將接收到的規劃任務分解、處理、自決策水下避障、應急處理以及協調節點的任務分配和執行,從而實現AUV的安全自主航行。

最底層為執行層。它包括頭部模塊、導航定位模塊、能源模塊、推進模塊4個節點,這些節點由以太網連接構成完整的網絡。節點內部分布微控制器,專門處理節點內部串行通信以及執行命令等低級通信,控制執行機構的動作?？刂栖浖到y如圖4。

2 實航試驗結果

AUV系統完成實驗室調試,系統連調后開展路徑規劃、續航力及運動能力實航試驗,驗證該系統設計的合理性和可靠性。試驗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時應急管理程序啟動,AUV上浮至水面,側掃聲吶在AUV掉頭過程中關閉以節省能源。

2.1 航路規劃試驗

航路規劃試驗通過任務層規劃任務,任務剖面為:顯控設備遙控AUV至任務起始點后,下載任務規劃文件并啟動自主航行,AUV從水面自主航行到下潛點,然后定深定速航行至搜索區域起點。到達搜索區域起點后,AUV定速定高“弓”字形搜索,搜索任務完成后AUV從搜索區域終點上浮至一定深度,再定速航行至出水點并自主航行到任務結束點,顯控設備遙控AUV運動至母船。圖6為任務層規劃的路徑,圖7為AUV慣導數據給出的實際航跡。

從圖7中可看出AUV實際航跡同規劃航跡基本保持一致,試驗中無故障發生,數據記錄完整。表明:基于以太網的分布式控制系統和分層式軟件系統設計合理,運行可靠,能夠實現復雜的航行控制。

圖6 AUV規劃航路Fig.6 Planned path of AUV

圖7 AUV實際航路Fig.7 Actual path of AUV

2.2 長航程試驗

長航程試驗可驗證能源模塊的性能和控制系統的航行控制性能,任務剖面如下:AUV配備一套能源模塊,顯控設備規劃航行任務,通過軟件計算設定規劃任務為8 h,設定AUV工作模式為3 kn速度定高航行,下載任務至AUV,啟動任務,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,距離達到47 km。圖9中速度坐標為10倍乘,由圖可知AUV速度穩定在1.5 m/s、 3 kn左右, 當AUV轉彎時(如圖“凹”峰所示)速度會下降,表明AUV遠程航行時,控制系統能穩定可靠控制速度和姿態。

2.3 地形掃描試驗

為驗證AUV水下工作的姿態穩定性,AUV搭載側掃聲吶開展地形掃面試驗,試驗任務剖面為:選取地形變化較為平緩的水域,顯控設備規劃“弓”字形區域掃描,設定模式為定高航行,遙控AUV至任務起點后,AUV自主開啟聲吶按規劃路徑掃面地形。地形掃面結果如圖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、硬質沉物等。側掃聲吶圖像準確、連續、清晰地表明AUV水下航行橫滾、縱傾姿態平穩,速度穩定,保證了側掃聲吶的探測效果。

3 結束語

本文針對小型、通用AUV平臺控制系統需求提出了一種基于以太網的分布式控制系統。控制系統硬件采用基于以太網的分布式架構,利用模塊內獨立的控制器實現與中央控制計算機的任務層通信和模塊內部執行機構節點的執行層通信,在大大減小系統信號傳輸線、提高信號傳輸速率和帶寬的同時增強了系統的可擴展性和穩定性?？刂葡到y軟件采用分層控制方式,將實時任務和節點控制命令分離,提高了軟件的升級、維護和功能擴展能力。但控制系統運行效率、實時性以及控制算法魯棒性方面需進一步試驗改進,提高系統性能。