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馬  驥，李一平，李  碩

1  概述

    以往的水下機器人控制系統(tǒng)，特別是自治水下機器人控制系統(tǒng)，多采用集中式控制方式來實現(xiàn)機器人的控制，即由主控計算機實現(xiàn)對所有傳感器和設備的數(shù)據(jù)采集及控制，因而主控計算機的任務繁重，效率也低。一旦主控計算機出現(xiàn)故障，整個控制系統(tǒng)將會癱瘓，系統(tǒng)的可靠性低；由于主控計算機的數(shù)據(jù)采集通道以及水密電纜的芯數(shù)是有限的，很難隨意的增加設備或傳感器，因此系統(tǒng)的可擴展性差。隨著電子技術、傳感器技術、通訊技術的發(fā)展，水下機器人能搭載的傳感器越來越多，完成的使命也日趨復雜，傳統(tǒng)的集中式控制方法無法滿足水下機器人控制系統(tǒng)發(fā)展的需求。
    針對控制系統(tǒng)研究及其它關鍵技術研究工作，新近筆者完成了水下機器人試驗平臺的研制工作。試驗平臺具有開放式的架構，可任意增加或減少所攜帶的傳感器和設備，進行各種關鍵技術研究。其控制系統(tǒng)采用基于RS-485總線的分布式水下機器人控制系統(tǒng)，系統(tǒng)實現(xiàn)了模塊化、靈活性和開放性。
采用總線形式的分布式控制方法具有模塊化、可擴展性強、組態(tài)靈活、可靠性高等優(yōu)點。在水下機器人控制系統(tǒng)中引入分布式控制還有如下特點：
  可以將主控計算機的一部分任務分散到各個網(wǎng)絡節(jié)點來實現(xiàn)，主控計算機任務減輕；
  一旦主控計算機出現(xiàn)故障，故障應急節(jié)點可以直接對機器人進行控制，使其浮出水面，這樣就極大的提高了水下機器人的安全性；
  各節(jié)點間的信息交換是直接進行的，無須通過主控計算機這道瓶頸，大大提高了信息交互的效率，而且也提高了系統(tǒng)的可靠性；
  增減傳感器或設備節(jié)點時，只須將其接入總線網(wǎng)絡中，無須對主控計算機硬件進行更改；
  采用總線網(wǎng)絡形式后每個節(jié)點的連線只有電源線和數(shù)據(jù)線，大大減少了水密電纜的數(shù)量和芯數(shù)，也大大減少了水密接插頭漏水和線路故障的概率。
    當前控制總線技術的發(fā)展速度很快，種類亦很多，應用較廣的有：RS-485總線、CAN總線、FF總線、Profibus總線、LONWORKS總線等。由這些總線組成的控制網(wǎng)絡各有特色。RS-485總線具有結構簡單、組網(wǎng)容易、造價低廉等優(yōu)點，已經(jīng)在工業(yè)控制中得到了廣泛應用，也適用于組成水下機器人分布式控制系統(tǒng)。

2  基于RS-485總線的水下機器人控制系統(tǒng)結構

    圖1為水下機器人試驗平臺控制系統(tǒng)結構框圖。控制系統(tǒng)由若干功能節(jié)點組成，每個功能節(jié)點都具有RS-485接口，這些節(jié)點連接在一起構成了試驗平臺的RS-485網(wǎng)絡。

 圖1  水下機器人試驗平臺控制系統(tǒng)結構

試驗平臺的RS-485網(wǎng)絡由一個主控節(jié)點和多個分節(jié)點組成。主控節(jié)點采用體積小、功耗低的PC/104總線計算機，主要完成水下機器人的運動控制、路徑規(guī)劃、使命執(zhí)行、數(shù)據(jù)記錄等任務。而RS-485網(wǎng)絡的各分節(jié)點主要完成數(shù)據(jù)采集、設備控制、電機驅動、硬件故障檢測、漏水檢測等任務，每個分節(jié)點的控制都是由AT90系列單片機（AVR單片機）來實現(xiàn)的，具有體積小、功耗低、靈活方便、系統(tǒng)易擴展等優(yōu)點，每個節(jié)點在RS-485網(wǎng)絡上都有一個唯一的地址供識別。RS-485網(wǎng)絡的最大節(jié)點數(shù)為128，對水下機器人的控制系統(tǒng)來說是足夠的。

3  RS-485網(wǎng)絡的硬件組成

    水下機器人RS-485網(wǎng)絡的硬件主要由主節(jié)點（自動駕駛計算機）和各個分節(jié)點（AVR單片機節(jié)點）組成。
主節(jié)點由自動駕駛計算機和RS-485網(wǎng)卡組成。其結構如圖2所示。 

圖2  主節(jié)點結構

RS-485網(wǎng)卡的主要功能為：
  實現(xiàn)RS-232與RS-485之間的硬件電平轉換；
 實現(xiàn)自動駕駛計算機串口低波特率（33.6Kbps）與RS-485網(wǎng)絡高波特率（250Kbps）的轉換；
  具有發(fā)送和接收9位地址字節(jié)能力；
  具有線路偵聽和自動避障功能，并通過握手信號與自動駕駛計算機接口。 

圖3  電機控制節(jié)點硬件原理框圖

    RS-485網(wǎng)絡分節(jié)點的硬件主要由AVR單片機、RS-485驅動以及外圍控制電路等組成。圖3是電機控制節(jié)點的硬件原理框圖。圖中的AVR單片機需要控制多個電機的啟停及運轉，并檢測電機電流、電壓以及密封艙的溫度、漏水等信號，這些信息通過RS-485網(wǎng)絡與自動駕駛計算機節(jié)點進行交互。

4  RS-485網(wǎng)絡通訊協(xié)議

    RS-485分布式數(shù)據(jù)采集和控制網(wǎng)絡與其他計算機網(wǎng)絡相似，采用分層結構設計，以降低軟件設計的復雜程度，使其可讀性和可維護性更強。其底層協(xié)議是為更高層協(xié)議提供特定的服務，而屏蔽其服務的實現(xiàn)細節(jié)。根據(jù)OSI的7層標準網(wǎng)絡體系結構模型，結合水下機器人數(shù)據(jù)采集與控制網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)量小、實時性強的特點，采用其結構模型中的3層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。
    (1)  物理層采用RS-485的電氣特性，利用平衡差分信號來傳輸數(shù)據(jù)。
    (2)  數(shù)據(jù)鏈路層接受應用層來的數(shù)據(jù)，并進行處理打包，產(chǎn)生校驗碼，按一定格式組成數(shù)據(jù)幀進行傳輸；同時，接收來自底層的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行校驗、解包，轉化成應用層能夠識別的數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)鏈路層所傳輸?shù)膸袷綖椋?/P>

     目的地址表示由哪個節(jié)點來接收此幀數(shù)據(jù)，可以由一個節(jié)點接收，也可以由若干個節(jié)點同時接收；源地址指明了此幀數(shù)據(jù)的來源；信息長度是本幀信息的字節(jié)數(shù)；信息類型指明了本幀信息的用途，是命令還是信息、是否需要返回響應數(shù)據(jù)等；信息0~信息n是具體的數(shù)據(jù)，采用二進制碼形式，1路模擬量占用2個字節(jié)，8路開關量占用1個字節(jié)；數(shù)據(jù)幀的最后字節(jié)為校驗和。
    目的地址字節(jié)的數(shù)據(jù)長度為9位，而其余字節(jié)的數(shù)據(jù)長度為8位，這樣分節(jié)點只有在接收到符合自己地址的信息后才接收數(shù)據(jù)，從而避免了AVR單片機串口接收數(shù)據(jù)時造成的頻繁中斷。
    例如電機控制節(jié)點的信息幀內容有：打開/關閉電機、各個電機的輸入給定值、電機運行狀態(tài)、電機故障狀態(tài)、漏水檢測狀態(tài)、電機電流、PWM艙溫度、電機工作電壓等。
    (3)  應用層接收數(shù)據(jù)鏈路層送來的數(shù)據(jù)，同時向數(shù)據(jù)鏈路層發(fā)送數(shù)據(jù)。在主計算機節(jié)點的QNX實時操作系統(tǒng)中封裝了應用層的庫函數(shù)接口，這樣上層程序可以直接操作底層的設備，而不必關心具體的硬件細節(jié)以及通訊協(xié)議。例如想獲得當前羅盤數(shù)據(jù)，只需調用函數(shù)get_tcm2_compass()即可。

5  RS-485網(wǎng)絡通訊方式

    水下機器人試驗平臺的RS-485網(wǎng)絡采用主節(jié)點輪巡和分節(jié)點自主發(fā)送相結合的方式，具有通訊線路偵聽、自動避障等功能。
    各分節(jié)點在正常時采用觸發(fā)機制的通訊方式，即主節(jié)點向分節(jié)點發(fā)出命令，分節(jié)點根據(jù)命令進行響應，這樣主節(jié)點可以方便的調度對各分節(jié)點進行采樣的周期以及是否對某一暫時不使用的節(jié)點進行采樣，避免幾個節(jié)點同時向網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)造成網(wǎng)絡阻塞和非實時性，這樣可以精確的保證通信的實時性并且提高了效率。
    為了保證水下機器人的安全，網(wǎng)絡中的各分節(jié)點應具有自主發(fā)送功能，即在水下密封艙漏水、電壓異常、密封艙溫度壓力異常等緊急情況下，應及時向主節(jié)點報告；另外，兩個分節(jié)點之間如果要進行信息交換，可以通過線路偵聽，待線路空閑時再傳送數(shù)據(jù)，跳過了主控計算機這道瓶頸；當主控計算機死機或故障時，具有應急功能的分節(jié)點可以與電機驅動節(jié)點直接通信，控制機器人的上浮運動，待機器人浮出水面后，無線電模塊直接接收GPS模塊的位置信息并向母船發(fā)送。要實現(xiàn)上述功能，主節(jié)點和各分節(jié)點RS-485接口電路應具有通訊線路偵聽和自動避障功能，具體實現(xiàn)方法：某節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)前首先檢測RS-485網(wǎng)絡上是否有數(shù)據(jù)，如果檢測到網(wǎng)絡上沒有數(shù)據(jù)時，先發(fā)送一個地址字節(jié)，同時檢查其接收的字節(jié)與發(fā)送的字節(jié)是否一致，如一致則繼續(xù)發(fā)送，如不一致，說明其它節(jié)點也在發(fā)送數(shù)據(jù)，造成了數(shù)據(jù)沖突，這時可以停止發(fā)送，延時隨機的一小段時間再進行上述的步驟，實際應用表明，當RS-485網(wǎng)絡的波特率為250Kbps時，網(wǎng)絡運行順暢，未出現(xiàn)過網(wǎng)絡阻塞現(xiàn)象。

6  應用效果

    本文所述的基于RS-485網(wǎng)絡的分布式水下機器人控制系統(tǒng)，在試驗平臺上實現(xiàn)并已投入使用，經(jīng)水池試驗應用，證明所設計的水下機器人RS-485網(wǎng)絡性能穩(wěn)定、工作可靠、指令響應速度快，在故障、漏水等應急情況下能迅速采取措施，浮出水面并發(fā)送位置信息，完全滿足水下機器人自治航行的實時性和高可靠性要求。

參考文獻：
[1]  陽憲惠. 現(xiàn)場總線技術及其應用[M]. 北京: 清華大學出版社, 1999.