基于VxWorks的微小型AUV体系结构设计

聂建多　褚振忠　朱大奇

摘要：

为提高自主式水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）控制系统的鲁棒性，将分层递阶结构与包容式结构相结合，提出了一种混合式控制体系结构，开发了基于VxWorks的微小型AUV控制系统.该系统以“海事金枪鱼”号AUV为载体，以嵌入式PC104计算机为系统核心，通过传感器的信息融合、算法实现和多任务运行，控制系统驱动推进器、舵、翼等执行单元实现AUV的姿态调整、导航和路径规划，最终达到自主作业的目的.“海事金枪鱼”号AUV的开发应用，验证了方案的可行性以及控制系统的可靠性和稳定性.

关键词：

自主式水下机器人（AUV）； 混合式控制； VxWorks； 控制系统

0引言

自主式水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）作为一种水下无人航行器，在21世纪军

民应用和海洋开发等领域拥有极其广阔的应用前景，已成为近年来海洋工程领域的研究热点，特别是AUV核心技术之一的控制体系结构设计已成为实现其自主作业的关键所在.[12]目前，AUV的控制体系结构大致可分为四大类：反应式结构、包容式结构、分层递阶结构和混合式结构.[3]为实现各体系结构的优势互补，可将不同体系结构进行有机结合以构建混合式控制体系结构.混合式控制体系结构通过对系统中各功能模块进行合理的分层布置，将反应式结构或包容式结构与上层的推理、规划有机地结合起来，使它在面对复杂海洋环境时具有快速的反应能力及较好的鲁棒性.[46]

本文提出了一种基于VxWorks的微小型AUV控制系统，采取分层递阶结构与包容式结构相结合的控制体系结构.以“海事金枪鱼”号AUV为载体，以多板嵌入式PC104计算机为核心，通过控制算法协调多任务工作以驱动推进器、舵、翼等执行单元，并联合多传感器的信息数据进行AUV的姿态调整、导航和路径规划等，真正实现自主式作业.[7]

1“海事金枪鱼”号AUV性能

“海事金枪鱼”号AUV如图1所示.该AUV由嵌入式控制系统、水下姿态平衡系统、导航与定位系统、可靠性安全系统、动力推进系统及声呐系统组成，可实现水下自主航行，具有目标搜索和数据采集功能.[8]同时，AUV可实现水面与控制台的实时通信，便于实时观测各项数据及状态参数，避免多种安全性问题.与无人遥控潜水器（Remotely Operated Vehicle，ROV） 等水下机器人相比较，AUV不受缆线约束，作业深度和水域范围大，工作效率高，机动性能强.这些特点决定了它在长时间、大范围搜索搜救任务上，具有明显优势.

图1“海事金枪鱼”号AUV

“海事金枪鱼”号AUV的主要参数：AUV长度为2.4 m，直径0.24 m，空气中质量为70 kg，最大航速为4 kn，最大潜深为200 m，续航时间为4 h；惯性导航单元最大可测角速率为450°/s，最大可测加速度为50 m/s2；GPS跟踪灵敏度为-162 dBm，捕获灵敏度为-148 dBm；多普勒测速仪可测速度为0.03～50 m/s；模拟摄像头参数为700 TVL，1 200 dpi，最低照度为0.01 lx；深度计采用电流输出型，可测范围为4～20 mA，误差为0.1%；拖曳式声呐频率为700 kHz，可测深度为100 m.

2AUV整体控制系统设计

“海事金枪鱼”号AUV属于微小型AUV范畴，其控制体系结构由分层递阶结构与包容式结构混合构建，包括管理层、任务层和执行层，见图2.管理层作为整个系统的高级控制，统领任务运作，抑制处理下层不良现象，使AUV系统可控性更强；任务层的主要功能是实现与高级控制和执行机构交换信息，保证AUV运作稳定；执行层为整个系统的基础硬件部分，负责AUV的姿态调整、数据采集、状态参数反馈和安全可靠性监测等.整个系统由无线串口与主控台进行通信，主控台负责对AUV在水面航行过程中的各项状态参数进行监控，并发送必要的操作命令.[10]

图2“海事金枪鱼”号AUV体系结构

“海事金枪鱼”号AUV的整个控制系统层次分明，联系紧密，所采用的混合式体系结构在复杂的水下环境中具有良好的应变能力和坚固性，在应用中成效显著.

2.1核心控制系统

考虑到水下机器人控制系统的开发成本和难度及控制难易等，传统小型水下机器人多采用微控制器，包括单片机、DSP芯片和ARM处理器等.

单片机类微控制器，如AT89C51系列、FreeScale系列等，均具有软件设计简单、操作便捷、开发难度小的特点，但内存小，处理速度低，并且在多任务的复杂控制系统中难以达到稳定的控制性能；DSP芯片在数据处理能力、性能稳定性上虽较单片机有质的飞跃，但并不具有实时处理能力，无法在多传感器、多任务的AUV中应用；ARM处理器具备了上述两者的优势，不仅具有较高的工作频率（最新的ARM11官方公布的主频可达1 GHz），而且在数据处理能力方面也有很大的提升，但却不具有内存容量扩展能力，不宜运用于复杂系统的AUV设计中.因此，必须搭建一种兼顾高速数据处理，可进行实时多任务、多传感器信息采集的控制系统.

PC104计算机是一款具有超低功耗，易于维护、扩展、系列化、升级的多功能控制器，配合多任务实时操作系统VxWorks使AUV的控制系统更具优势，如将大大提升可扩展性和降低系统复杂度[10].“海事金枪鱼”号AUV核心控制系统即采用VxWorks实现，通过PC104计算机进行搭载，其具体优势体现在以下方面.

（1）多任务调度.

“海事金枪鱼”号AUV系统任务分为三大类：导航定位任务、传感器数据采集任务和运动控制任务，其功能由多个子任务分担完成（如图2所示）.AUV采用的VxWorks支持多任务实时系统，同时采用基于优先级的抢占式调度方式，保证了三大任务可以实时切换，实现近乎并行工作的效果.这样既可以避免AUV单任务延迟导致的系统故障，又能保证整个系统的高效运转.[11]

（2）强实时性.

VxWorks在PMI2下支持最高2 GHz主频，使任务切换时间、中断响应时间可降至微秒级，再加上VxWorks本身对系统响应时间的确定性保证，使其在处理外部事件（包括传感、通信、运动控制等）和任务调度的过程中速度较微控制器大大提升.

（3）内存优势.

本系统中采用1 GB的系统内存，为AUV三大任务及其子任务下的堆栈及数据存储提供了空间保障，避免了因内存空间不足导致的系统异常.

（4）可靠性.

VxWorks采用分布式消息队列和异常处理等机制，支持系统的冗余设计和容错设计，具有系统异常自动重启功能，保障了AUV软件设计的可靠性.

（5）高速非块设备的采用.

在AUV系统中，鉴于系统反应速度、操作简易程度等多方面考虑，本文中所提到的多板嵌入式控制系统采用的均为VxWorks下的非块字符设备.字符设备隶属于非块设备类型，其驱动程序的实现相对简单.它向上只与I/O系统接口，处于相对底层，在使用过程中均通过操作系统内核调用驱动程序，工作效率高.因此，在本文的多板嵌入式结构中，外接的传感器系统及控制单元等所使用的在板及外扩设备，包括A/D设备、D/A设备、I/O设备和串口设备等，均采取字符设备操作，见图3.

图3VxWorks下的AUV具体实现结构

该系统通过安装各板卡的设备，如串行口，A/D与D/A转换，数字I/O口，外部中断处理等，拓宽核心控制系统的功能，提高整个VxWorks嵌入式系统的可用性和扩展性，使AUV能充分利用其集成功能满足自身多模块业务需求.

2.2导航定位系统

导航定位系统分为水面GPS导航和水下惯性导航两部分.AUV水面导航是通过GPS单元和姿态传感器采集的经纬度和姿态角，并联合运动控制单元以及必要的导航定位算法实现的；AUV进行水下导航时，由于无法获取GPS信号，故GPS单元在水下航行中不起作用，导航任务由惯性模块担任.整个AUV导航定位系统均由VxWorks微计算机系统进行实时的AUV航向和路径规划，通过闭环控制AUV抵达目标水域作业，以此来合理协调AUV的导航过程.[12]

2.3任务传感系统

在“海事金枪鱼”号AUV中，集成了一套完善的传感器系统，由VxWorks微计算机系统进行实时的数据采集与处理，可应对复杂的水下环境，保障AUV的整体安全性.[13]AUV任务传感系统架构见图4.

图4AUV任务传感系统架构

考虑到AUV的性能及后续维护等，该系统采用了模块化设计，不仅有利于故障排查与处理，而且提高了整个AUV系统的坚固性.

2.4运动控制系统

针对微小型AUV的定深和定向动作，开发了一种新型的舵翼联控运动控制系统.该系统具有成本低、耗能少、性价比高等优势，其整体架构设计见图5.

图5AUV运动控制系统架构

该系统作为执行层乃至整个AUV硬件系统的最关键部分，负责AUV在水下的各自由度运动，由推进器、方向舵和水平翼等三部分组成.[1415]

“海事金枪鱼”采用轴向双推进器结构，置于AUV尾部的两侧，通过VxWorks操作系统下安装的非块设备，进行实时高效的控制，可进行AUV的直行、后退、辅助转向等动作.

方向舵与水平翼具有相同结构，由步进电机（主动轮）和桨叶（从动轮）组成，用以实现AUV的航向和深度控制.图6为实际舵、翼装置图，其具体工作原理如下：

①舵机角度采集.旋转变压器实时采集主动轮的角度，由解码器进行解码并转换为8位可操作量，通过程序将其转换为十进制数，存储于VxWorks系统中等待使用.

②舵机角度参数处理.管理层可完成对舵、翼的桨叶位置信息的解析，结合相应算法得到当前AUV的转向和深度，并依据角度的正负值判断出具体的姿态情况.

③舵机角度输出.舵机的角度控制采用闭环控制系统，经管理层解析得到的舵机位置联合AUV作业位置，由PWM信号驱动步进电机实时修正舵机桨叶位置.

图6舵、翼装置图

3试验结果

为验证“海事金枪鱼”号AUV所采用的控制体系结构的可行性和有效性，在千岛湖进了水下自主航行试验.首先，进行基础运动控制试验，包括自主定深控制、自主定向控制和方向切换控制，对所记录的数据进行滤波处理后绘制出试验图，见图7.由图7可见“海事金枪鱼”号AUV在自主控制上取得了良好的效果.

a）定深控制（1 m）

b）定深控制（2 m）

c）定向控制（目标航向250°）

d）方向切换控制（航向由240°切换至40°）

图7基础运动控制试验

在基础运动控制试验获得较为满意的结果后，进行长距离导航试验.图8为长距离导航试验中的AUV实际轨迹和理论要求轨迹的曲线，通过对比可以看出，“海事金枪鱼”号AUV不仅可灵活转向并能保持指定航向顺利航行，而且航向切换控制效果也非常明显.

图8长距离导航试验

4结论

本文将分层递阶结构与包容式结构相结合，提出一种基于VxWorks的微小型AUV混合式体系结构，研发出了基于该体系结构的AUV控制系统，并通过“海事金枪鱼”号AUV的开发和应用验证了该体系结构的可行性、坚固性和智能性，真正实现了水下机器人的自主式作业.

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（编辑赵勉）