无人水下航行器控制系统CAN总线通信设计与仿真研究＊

徐 袭 石 敏

（1.91388部队93分队 湛江 524022）（2.水声对抗技术重点实验室 湛江 524022）

1 引言

在水下目标模拟技术应用中，无人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）作为一种良好的特征模拟设备，通过加载部分装置即可逼真模拟部分水下运动物体的目标特性。由于水下环境的复杂性及UUV自身特点，要实现较好的特征模拟功能，对其自身控制系统的可靠性与实时性要求较高，系统需完成大信息量、高实时性的数据传输与交换，方能实现UUV的精准、高效控制与特征模拟。网络控制系统（Network Control Systems，NCS）是近年来发展起来的新型控制方法，可用于解决UUV的复杂控制问题。网络控制的核心在于控制通信网络协议与结构，根据UUV控制系统构架，CAN（Controller Area Network，CAN）网络作为一种可靠的工业应用总线网络，完全可以满足 UUV控制系统网络通信的要求［1～2］。本文在CAN网络通信原理的基础上，研究分析UUV控制系统网络结构及通信协议，设计UUV控制系统的CAN网络通信编码方式，并利用CANoe总线仿真工具，对设计的CAN总线网络进行了仿真验证。

2 CAN原理

CAN即控制器局域网，是由德国BOSCH公司提出，目前已经形成国际标准，主要用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。由于其高可靠性及独特的设计，其应用范围越来越广，不再局限于汽车工业，已在机械制造、海洋船舶、机器人及传感器等领域得到快速发展与应用。其主要特点可概括如下［3］：

1）通信方式灵活。CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动向网络其他节点发送信息，不分主从；

2）采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动的退出发送，而最高优先级的节点可不受影响的继续传输数据，节省了总线冲突仲裁时间，不会出现网络瘫痪情况；

3）CAN只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的调度；

4）CAN的直接通信距离最远可达10kM（传输速率5Kb／s以下），通信速率最高可达1Mb／s；

5）CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个，报文标识符可达2032种（CAN2.0A），扩展标准的报文标识符几乎不受限制；

6）CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。

结合UUV控制系统的网络需求，CAN总线所具备的以上特点完全可以满足其控制系统需求。

3 UUV网络控制系统

UUV控制系统由于控制量多，控制要求高，传统的集中控制系统通信方式已满足不了其要求。UUV在水下工作时，各部分装置发挥效能，确保其正常工作，如由惯性导航系统进行水下导航，水面状态由全球定位系统（Global Positioning System，GPS）进行位置校正［4］。应用 CAN 总线的UUV控制系统的网络体系结构如图1所示：

图1 UUV控制系统网络结构

系统由自动驾驶仪、电推系统、舵机控制系统、避碰系统、水声通信系统等组成，其中自动驾驶仪作为主机，完成整个CAN总线网络信息系统的数据传输与管理，控制UUV的工作状态，系统其它功能部分作为CAN网络节点可发送数据或接收传输给自己的数据，使各部件间的内部信息能通信互联，实现对UUV的控制需求［5～6］。

4 通信设计

4.1 数据帧格式

UUV控制网络采用CAN总线通讯协议。按照信息量需求，可选择采用CAN2.0B协议，其传输数据帧支持29位扩展报文标志符。根据UUV不同部件其不同功能实现需求，可将其大致分为四部分来描述要传递的控制信息，分别是优先级部分、接收节点标志部分、发送节点标志部分、模式／数据标志位部分、报文编号部分和数据编号部分，具体设置时应根据系统的需要和扩展要求设置，某典型数据帧设置如表1。

表1 某UUV控制系统CAN典型数据帧设置

各节点对接收到的报文，按照预先定义，进行区分和处理。报文数据科采用二进制格式，除特殊定义外，符合相应的标准即可。

4.2 传输参数

UUV控制系统要实现实时高效的控制，除了设计好相应的CAN通信数据帧格式外，还需考虑UUV内部实际物理传输的需求。与大型船舶相比较，UUV内部传输布线空间位置不同，传输的数据量大小不同，物理传输距离长短不同，电磁环境影响程度不同，要实现高速率、可靠的控制系统，必须合理的选择相应的传输介质，设定合理的传输速率等网络要素。选择合适的波特率，使得系统可以依靠CAN总线控制器自身的仲裁和错误处理机制，达到最大程度上的抑制外界干扰的目的，提高CAN总线系统的可靠性。典型的UUV控制系统CAN网络传输参数的典型数据如表2所示。

表2 某UUV控制系统CAN典型参数设置

按照UUV系统要求，对通信传输参数进行选择和设置，构建CAN网络通信，参数设置的正确与否，需要进行分析和验证，以便应用于实际的系统中具备可靠性。

5 仿真分析

为保证UUV控制系统CAN网络协议相关参数设置的正确性，可采用总线应用开发软件CANoe对所构建的CAN通信网络进行虚拟节点的数字仿真。若仿真效果较好，可在虚拟仿真的基础上，加入实际部件节点硬件，进行半实物仿真验证［7］。

5.1 仿真系统

图2 CANoe模拟仿真软件界面

对UUV控制系统CAN网络进行仿真使用CANoe软件即可完成，该软件是德国Vector公司开发的CAN总线应用系统开发软件。可由Vector的CAN总线接口硬件，实现虚拟总线与真实物理总线的连接。

使用CANoe进行CAN总线的全数字仿真，也可进行物理节点与虚拟节点相结合的半实物仿真，可对真实物理总线的通信进行实时监控［8］。利用 CANoe构建仿真系统及半实物仿真，仿真系统构建软件界面如图2所示。

主要根据UUV控制系统的CAN通信设计的数据帧及参数，对CANdb数据库进行设置，逐一对总线系统节点、传输数据帧、数据场和环境变量配置，然后进行仿真配置，主要设置系统设计波特率、采样点和滤波参数等，最后进行CAPL语言编程，编制相关的节点传输机制和模式，完成后，即可进行仿真测试，验证方案的可行性。

5.2 测试要素

对UUV控制系统的CAN总线通信设计方案的测试，首先启动仿真环境，通过统计窗口观察总线上的数据帧的发送和接收情况，窗口界面如图3所示。

图3 CANoe仿真系统数据统计与分析窗口

CAN总线通信测试，依据数据统计窗口相关显示内容，注意以下几方面［9～0］：

1）系统作为CAN节点的信息发送接收功能是否完成；

2）CAN总线平均总线负载率（Bus Load）和总线峰值负载率（Peak Load）是否满足设计要求；

3）各节点的工作流程是否合理、完善。总线的负荷与各节点工作流程密切相关，可以通过调整工作流程达到减轻CAN总线负荷的目的；

4）CAN总线上的数据传输的实时性是否满足要求。

针对以上测试要素，测试时若满足不了相应的UUV控制系统通信工作要求，可以及时在软件中调整，再次进行仿真测试验证；若该系统CAN通信测试结果满足要求，可转入到对该网络的半实物仿真中，即用物理节点代替计算机虚拟节点，进一步验证UUV控制系统CAN网络通信设计的可行性，半实物仿真示意图如图4所示。

图4 CANoe半实物仿真示意图

通过前述典型协议分析和设计，利用CANoe仿真，可验证UUV控制系统CAN网络传输设计的正确性，其控制网络测试网络负载小于25%，无错误帧及丢帧现象出现［13］。

6 结语

运行良好的控制系统是保证UUV准确模拟水下运动物体目标特性的前提，本文采用CAN总线对UUV控制系统通信网络进行设计和分析，讨论了CAN网络数据帧在系统中的具体应用设计和传输参数设置，并使用CANoe仿真软件对所设计的UUV控制系统CAN网络进行了仿真，通过仿真验证了UUV控制系统CAN网络通信设计的正确性，该方法应用于UUV控制系统通信网络设计，将有效提高UUV系统控制特性和特征模拟性能。

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