基于CAN總線的自主水下航行器分布式控制系統設計

董權威，王奧博，岳才謙，王亭亭

(中國航天空氣動力技術研究院，北京 100074)

0 引言

海洋作為資源豐富的能量儲備空間，有著十分重要的意義，同時伴隨著人類認識海洋、開發海洋和保護海洋的進程不斷發展，拓展海洋權益已日益成為各國爭先發展的重要目標。作為海洋開發的重要平臺，自主水下航行器(AUV,autonomous underwater vehicle)可以在無人控制的狀態下全天候、多航時地自主完成水下任務，成為在民用領域和軍用領域中重要的海洋開發和安全保障的工具，并且獲得廣泛應用[1]。民用領域，如海圖繪制、地形勘察和海底設備維護等；軍用領域，如海上預警、海底對抗、水下情報搜索、水下目標搜索與打擊和戰區探測等[2-4]。

作為AUV的關鍵技術，控制系統設計的好壞決定了AUV系統運行的可靠性與穩定性等性能是否滿足設計要求。傳統的AUV控制系統多采用集中式，即AUV的航行控制、任務管理與分配等均通過一臺主控計算機實現，當主控計算機遇到故障而無法正常工作時，則AUV整個控制系統則面臨癱瘓的問題，因此難以保證系統運行的可靠性。此外還存在計算量大的問題，難以同時完成水下復雜的航行任務，如導航解算、運動控制、航路規劃、圖像數據采集與處理等。而分布式CAN總線串行通信網絡通信距離遠、通信速率高、連接節點多、通信實時性強等特點，其可靠性與高性能已得到廣泛認同，在工業自動化、船舶工程與工業設備等領域具有廣泛的應用[5-6]。

由于CAN總線可同時搭載多個節點，理論上沒有限制，受總線上實際電氣負載與時延的限制，隨著CAN總線上連接的節點增加，通信速度降低，連接的節點減少，則通信速度提高[7-8]。因此，對AUV的控制系統的功能進行劃分，并將其拆分成由多個控制節點組成的分布式控制系統，各控制節點通過CAN總線網絡進行數據通信。當AUV在水下運行時，若某一個控制節點發生故障，通過分布式控制系統內的安全保障單元或應急處理單元接手并控制，可大大提升AUV控制系統的可靠性，進一步保證AUV水下航行安全。此外，各控制節點通過CAN總線直接進行信息交互與數據傳輸，無需通過主控計算機，提高了系統整體的通信效率[9]。同時，采用CAN總線分布式控制系統便于后續擴展與升級，當需要增加新的控制節點或設備時，無需修改硬件，只需將其接入總線即可實現通信[10]。

根據AUV控制系統的設計要求，本文提出了基于CAN總線的AUV分布式控制系統，包括地面監控站、任務控制節點、導航控制節點、運動控制節點、執行節點、安保節點。其中，地面監控站是AUV平臺的地面指揮控制端，其余節點置于航行器內部。通過對AUV的分布式控制系統的結構、硬件架構、硬件電路與軟件程序進行設計，系統開發工作完成后，進行了多次水下試驗，最終驗證了該設計方案的穩定性與可靠性。

1 控制系統設計要求

研發的該AUV平臺，尾部裝一個軸向推進器為航行器提供航行動力，AUV后段和后段各裝有垂直推進器和側向推進器，通過不同推進器間的配合，實現航行器的3維運動控制。AUV的導航傳感器主要包括：慣導系統、超短基線、多普勒速度儀、GPS、深度計與高度計等。

對AUV控制系統的設計要求：1)對平臺內部所有傳感器數據信息實時采集；2)試驗平臺具有較高精度的自主導航能力與運動控制性能；3)能夠記錄所有的航行參數、導航控制參數與總線控制信息；4)具備故障診斷與緊急處理能力，保障試驗平臺安全[11]。

2 硬件系統設計

2.1 分布式控制系統結構設計

根據上述設計要求，AUV控制系統采用分層式結構，主要包含任務層、控制層與執行層，各層由相應控制節點構成。其中，任務層負責完成與地面設備的信息交互、任務模式設定與傳感器信息存儲等；控制層負責完成航行器的導航、運動控制等；執行層負責完成對各推進器、拋載機構的控制。當AUV在航行過程中，任務層與控制層的任務分別由任務控制節點、導航與運動控制節點完成，執行層則由推進器和拋載共同完成。同時，在平臺的分布式控制系統中還包括數據記錄節點與故障診斷與應急節點，分別用來記錄試驗平臺的航行參數與各傳感器信息，并根據各傳感器信息判斷AUV航行是否正常，并作出對應的應急處理措施。在實現時，由上層將任務分發給下層，下層在執行前需等待上層控制指令，上層在下發新的控制指令前需確認下層任務是否完成。各個指令的發送與完成都需要上層與下層的“握手”確認。這種分層式體系結構使得系統功能層次清晰，系統間通信可靠。試驗平臺的分布式控制系統結構如圖1所示。

圖1 AUV分布式控制系統結構框圖

其中，地面監控站主要由控制單元與顯示單元組成，用以進行指令傳輸、遠程控制與AUV狀態監控等。任務控制單元主要搭載任務載荷進行水底搜探與水中識別等工作，如側掃聲吶與避障聲吶等，并負責完成AUV在水下航行過程中的任務分配、任務管理與控制等。同時搭載數傳電臺與水聲通信裝置實現水面與水下通信。在水面，利用數傳電臺與地面監控站監理通信，并接收上層地面監控端的任務指令，完成對AUV預設的航行任務，反饋AUV自身狀態。在水下，通過水聲通信設備搭建水下通信鏈路，完成水下與水面端的數據交互。

控制層為導航與運動控制單元，分為導航控制系統與運動控制系統，導航控制系統主要負責AUV在水下航行過程中的導航任務，記錄航行器水下的航行狀態，并實時采集AUV在航行過程中產生的導航信息，并進行解算，最后通過CAN總線發送至運動控制系統。運動控制系統主要接收來自導航控制系統采集的AUV在航行過程中產生的航行狀態信息，如姿態、速度、位置、高度和深度等信息，并進行解算，計算推力，然后將計算結果轉換成推進器的轉速控制信號，并將轉換結果發送給執行層，驅動各執行機構完成相應的動作，進而實現AUV的航向控制、定深航行、定高控制與航跡跟蹤等。

2.2 分布式控制系統硬件架構設計

AUV控制系統復雜度的增加，會使得系統內部連線與接口更加復雜，同時會帶來設計成本高、裝配難度大、數據信息量大與可靠性差等問題。此時，若系統采用現場總線的方式，則可有效解決該問題，并能實現多點對多點的通信。而CAN總線作為一種有效支持分布式控制和實時控制的串行現場總線，可工作在多主模式。在系統通訊網絡中，各節點都可根據總線訪問優先權，在數據傳輸方面具有顯著的優勢，其協議的充分性與完整性，使得由它構建的通信系統具有較好的穩定性與可靠性，也使CAN總線在AUV通訊系統應用領域更加廣泛。

本文提出的AUV分布式控制系統采用基于CAN總線的總線式網絡結構，由任務控制系統、導航控制系統、運動控制系統及安保系統4個控制節點構成。其中，任務控制控制搭載超短基線、數傳電臺、側掃聲吶與避障聲吶，導航控制系統搭載慣導、多普勒速度儀、高度計、深度計與GPS模塊，運動控制系統主要搭載各類推進器，安保系統則主要保障AUV水下航行安全，集成了電源管理單元、應急頻閃燈與拋載機構等，以實現AUV內部各節點、設備及相關組件的供電，并對供電進行分配和管理，當AUV出現電量不足或檢測到某個設備工作異常等情況，則進行節能模式或設備斷電等操作。

圖2 基于CAN總線的分布式控制系統架構

通過采用分布式CAN總線通信網絡，對AUV內硬件系統的功能進行劃分與設計，根據實際需求，可將其劃分為多各控制節點，以便能更好地對AUV的控制系統進行任務管理與規劃，提升AUV控制系統工作效率的同時，可大大提高AUV在水下航行的生存能力。在劃分的各控制節點內，根據所搭載設備的接口要求進行設計，以實現節點與設備的通信。同時，各控制節點間采用CAN總線進行通信。對該系統而言，CAN總線共搭載4個控制節點，控制節點間為CAN總線通信，節點內與設備間通信采用串口、網口等方式。即在整個分布式控制系統中，采用CAN總線通信方式為主，其他通信方式為輔，極大節省了各控制節點的接口資源，提高AUV內搭載的各類傳感器的處理效率。

AUV內搭載各種傳感器，任一傳感器在使用過程中通信鏈路出現故障都可能會連鎖反應，導致其他傳感器無法正常使用或影響控制系統正常運行。通過設計的該分布式控制系統，可有效保障AUV內控制節點與設備、控制節點間通信鏈路的實時性與可靠性，基于CAN總線的分布式控制系統硬件架構如圖2所示。

2.3 硬件電路設計

AUV的控制系統對于硬件的要求較高，在滿足高可靠與高性能的基礎上，應具備比較穩定可靠的通信鏈路，并能便于擴展，當根據任務需求，需要增加或減少控制節點時，可在不改變硬件條件的基礎上，對控制節點進行增減，并且不會對其他控制節點造成影響。基于此，對各控制節點的主控單元及通信接口等進行設計。

任務層內控制節點的主控器基于PC104結構，采用主控電路與通訊擴展的方式進行相關設計，具有多路串口、網口與CAN總線接口，可實現任務層中多路任務傳感器的數據采集及與其他控制節點間的CAN通信。其中主控電路板采用SCM9602，內部采用Intel的超低功耗E3800型嵌入式CPU，主頻包括單核1.46 G到1.91 G，板載內存4 GB，具有6路串口，2路網口。通信擴展板采用M-CSD，該板具有4個光電隔離異步串口及兩路CAN總線接口，可擴展任務控制節點的接口能力。

此外，其它控制節點采基于ARM的STM32F407ZGT6芯片作為MCU，該芯片的資源豐富，集成FPU和DSP指令，具有192 KB SRAM，1024 KB FLASH，內部集成了6路串口與2路CAN口，可滿足各節點設備接口的使用要求。MCU內部增強型bx-CAN控制器支持標準的CAN2.0A和CAN2.0B協議及遠距離傳輸。正常通信時，總線傳輸速率可高達1 Mbps，CAN通信接口模塊設計是保持正常通信、數據可靠收發的關鍵。在此選用高集成度和高可靠性的CAN隔離收發器TJA1050模塊，該模塊通用性較強，支持任何一種CAN通信協議控制器，外圍接口電路較為簡單，在電路設計時，可直接將其引腳與MCU對應的引腳連接即可，不需增加其他調理電路， 同時在CANH與CANL之間接入一個120 Ω終端電阻，主要用于進行阻抗匹配，CAN總線接口電路如圖3所示。

圖3 CAN總線接口電路

3 控制系統軟件設計

AUV的控制結構主要包括任務層、控制層與執行層。內部劃分有4個控制微機，分別為任務控制系統、導航控制系統、運動控制系統與安保系統，任務控制系統負責AUV的任務規劃與管理，用于完成水下避碰、避障與航點規劃。導航控制系統負責完成導航信息獲取、處理與解算。運動控制系統負責AUV的運動控制，進行轉速控制與推力控制，為執行層。安保系統負責AUV的水下航行安全，在航行過程中，若接收到來自其它控制節點的緊急拋載指令，如系統超時、超深、設備故障等，則觸發應急拋載。

為保證AUV內部分布式通信系統的可靠性與準確性，對CAN總線通信協議進行設計，一個CAN節點可控制多路設備，且只需要一個中斷號，在簡化硬件設計與電氣接線的同時，可進一步簡化軟件設計。AUV的CAN總線通信網絡采用CAN2.0B標準幀數據格式，總線上搭載的各分系統節點收發的數據為擴展幀和數據幀，并根據各對各節點設置相應的ID號。同時為保證數據傳輸的快速性，CAN總線只發送控制指令幀、查詢幀與AUV的狀態反饋幀，各系統節點通過CAN總線實現指令的收發與狀態反饋。通信子程序主要由引腳配置、CAN總線初始化、指令收發與執行等部分組成。各節點在進行指令接收前，根據設定的CAN通信協議進行數據校驗，校驗通過后則觸發中斷并接收，數據接收后通過指令報文判斷數據指令類型，并執行軟件設計的任務流程。

此外，CAN總線具有錯誤檢測、錯誤通知與錯誤恢復的功能。系統運行時，檢測到錯誤節點后，會通知其他節點，若正在發生信息的節點檢測出錯誤后會進行強制結束，并不斷反復重新發送直至成功。在錯誤處理過程中，CAN總線會判斷相應的標志位，對于一般節點，可對CAN控制器進行重新初始化來恢復通信，CAN總線的軟件控制流程如圖4所示。

圖4 CAN總線軟件控制流程圖

4 實驗結果與分析

對AUV的CAN總線通信網絡設計完成后，進行硬件系統搭建及軟件程序設計，并進行調試、測試與系統集成，最終對AUV進行了湖態試驗與驗證。本次試驗主要的任務是驗證該分布式控制系統運行的穩定性與可靠性。試驗流程如下：首先利用地面監控站對AUV進行狀態檢測，若監測到反饋的AUV各項數據信息正常，則具備水下航行條件。在水面，通過地面站對AUV進行任務裝訂，AUV接收指令并執行，此時AUV的水下航行任務為航點跟蹤模式。首先AUV由起點航行至下潛點，AUV下潛后，根據設定的任務流程，依次按照航點1、航點2、航點3、航點4依次進行定深尋點。在航行過程中，AUV通過前段和后段兩個垂直推進器差動進行深度調節，通過前后兩個側向推進器差動進行航行調節，以此保證AUV在深度和航向上航行的穩定性。

圖5 AUV航行軌跡

對AUV在水下的航行數據進行保存，并根據航行數據繪制AUV在水下的航行軌跡，如圖5所示。由圖5可知，AUV按照預定航線依次到達航路點1至航路點4，到達最后一個航路點后上浮，出水后由地面監控站接管，并通過數傳電臺監測AUV反饋的狀態信息。可以看出，AUV準確、完整的完成了預設的水下航行任務，在整個水下航行過程中各控制節點運行穩定，控制節點間CAN總線通信可靠，具有廣闊的工程應用價值。

5 結束語

本文提出一種基于CAN總線的分布式控制系統設計方案，并將其集成并應用到實體AUV平臺，通過岸上聯調測試，驗證該設計方案的可行性與實用性，并通過一系列的湖試與海試，該設計方案最終得到有效驗證。試驗結果表明，設計的分布式控制系統運行性能良好，各分控制節點間通信穩定，在保證AUV正常工作的情況下，亦滿足實時性、可靠性與可擴展性的要求，具有較大的工程應用價值。為進一步滿足CAN總線通信的高可靠性，在后續工作中，需要對CAN總線的冗余性與總線切換問題做相關研究，保證CAN總線出現問題后，通過軟硬件的冗余，進行自動切換，從而進一步提升分布式控制系統中各控制節點通信的可靠性。