水下滑翔机器人嵌入式控制系统

1 引言

1989年美国人Henry Stommel提出了用一种能够在水下作滑翔运动的浮标进行海洋环境调查的设想[1]，它可以提供较高的空间和时间的密度测量、持续时间长的使命执行和更加灵活的操作，这就是水下滑翔机器人的最初概念。

与当前用于海洋环境监测的浮标相比，水下滑翔机器人具有很高的机动性和可控性，具有大约5KG有效负载能力，可以根据作业需要安装各种专用的传感器，完成各种作业任务。

2 控制系统硬件设计与实现

硬件结构主要分为水面控制系统和水下控制系统两部分。

2.1 水面控制系统硬件

水面控制系统包括：主控计算机、操控系统、跟踪定位系统、显示系统、与水下的通信接口和脐带等。

水面主控计算机系统采用一般标准配置的计算机，具有10/100M以太网卡、两个串口。

水面控制盒内有：数传电台、调试电源、电压电流显示、电源的开关控制、水面电源与水下电源的切换控制、水下计算机的复位控制、与水下脐带电缆的接口、与水面计算机的以太网和串口的接口等。

2.2 水下控制系统硬件

水下载体控制系统包括：水下主控计算机系统、电源系统、通讯系统、导航定位系统、安全控制系统和驱动调节系统。

水下主控计算机系统负责整个载体各传感器数据的采集和运动控制，以及故障诊断与应急处理和有关机载设备的控制。

电源系统为水下滑翔机器人提供能源。

通讯系统由水面和水下通讯系统组成，它们都由发射接收模块和天线组成。

导航系统。载体在水下时靠电子罗盘确定载体的运动方向和姿态，靠深度计确定工作深度。

安全控制系统主要监测系统的工作电压、电源电压、放电电流、电源剩余容量以及舱内是否漏水，并对某些故障进行适当的处理[2]。

驱动调节系统提供了所有基本的电机控制，包括双极步进的整步、半步以及方向控制。

3 控制系统软件设计与实现

控制系统软件是水下滑翔机器人的核心部分，可分为水面控制系统软件和水下控制系统软件两部分。

3.1 水面控制系统软件

水面控制系统，实现任务规划和制定、运动轨迹显示、数据存储、任务指令发送、数据接收并分析显示。

监控与任务管理系统，提供与操作者的交互界面。操作者可控制作业任务，观测载体运动信息，并对水下系统的询问做出确认。

使命程序，由一组规划好的运动和工作函数组成，由监控与任务管理系统调用。

数据分析模块，分析水下发送来的各种数据，传给监控与任务管理系统,并存储。

水面通讯程序，将任务数据打包发送，并将水下传来的数据传给数据分析模块。

3.2 水下控制系统软件

水下控制系统是整个控制系统的核心部分，是建立在QNX实时操作系统基础上的多任务、多优先级的实时监控程序。主要对载体设备进行管理和控制、检查系统状态、控制运动方式、数据的采集和交换、执行作业任务，建立通信连接，并对可预见的异常状况做出处理。主要由公共数据区、数据采集模块、数据分析模块、数据记录模块、驱动调节模块、运动控制模块、航行控制模块、设备驱动模块、安全控制模块和水下通讯模块等部分构成。

公共数据区是整个系统数据通信及存储的核心部分，各进程都以它为输入输出对象，特别是那些可执行级的进程，其数据可直接用于控制。在本系统中，各进程以不同的优先级和执行周期运行，除了数据分析进程之外，所有的进程都只读写公共数据区中的对应区域。

数据采集进程，周期地读取传感器信息并写入公共数据区中，将公共数据区中的数据写入设备。由于是多传感器系统，所以采用多进程控制数据采集，每个传感器依据自己的采样频率控制采样。

数据分析进程，周期地读取公共数据区内关于系统运行状态的数据，并通过水下通讯进程传给水上监控系统，实时地将水上控制系统的指令写入公共数据区。

数据记录进程，负责记录系统运行的各种数据并写入文件。

驱动调节进程，用于计算加在各电机上的控制量，根据具体控制算法来驱动电机。

运动控制模块，通过选择运动参数来实现对载体的运动控制及本地闭环控制。

驱动模块驱动程序库，在库内放有全部机载设备的驱动程序，该程序库可以根据需要增减。

安全控制模块用于对机载设备的工作状态的循检、跟踪执行任务的过程，对在复杂条件下可能遇到的异常情况，如漏水、超出极限深度、能源系统出现故障等进行紧急处理。

水下通信进程，完成数据的打包和解读。在完成一个周期航行后，首先将所有记录的数据通过数传电台发送到水面控制系统，发出询问信息，之后接收水面控制系统发送来的作业任务和确认信息，通过数据分析模块对所获得的任务信息进行分析，分解为控制系统可以执行的指令，并将数据写入公共数据区。

4 结束语

本文针对水下滑翔机器人在工作定的实时性、连续性、高精度、高可靠性等要求，利用现有的设备和技术，对水下滑翔机器人的嵌入式控制系统进行了系统的分析与设计。

本文提出的设计方案已经得到了实验与实际验证，已经成功应用于水下滑翔机器人的运动控制过程中，并且运行效果很好。

参考文献

[1]Stommel H. The Slocum mission.Oceanography,1989,2(1):22-25.

[2]刘建成,万磊,戴捷等.水下机器人推力器容错控制技术的研究.机器人,2003,25(2):163-166.