20kg級自主水下機(jī)器人控制軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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摘要:介紹了用于對20 kg級便攜式AUV的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制的軟件設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)。該軟件是基于MFC對話框運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)下的程序,使用了多線程編程技術(shù)和串口通信技術(shù)。串口操作線程用于向串口讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù),并且在處理后把最終結(jié)果發(fā)送給主線程和導(dǎo)航線程。在主線程中將數(shù)據(jù)顯示到界面上,在導(dǎo)航線程根據(jù)導(dǎo)航算法計(jì)算出用于導(dǎo)航的數(shù)據(jù)并寫入串口以控制AUV的運(yùn)行狀態(tài),包括AUV上浮、下潛、前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該軟件達(dá)到了預(yù)定效果。
關(guān)鍵詞:便攜式AUV;多線程;串口通信;MFC
0 引言
自主式水下機(jī)器人(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)代表著未來水下機(jī)器人的發(fā)展方向,因而是世界各國研究的熱點(diǎn)。而便攜式AUV由于使用方便,可執(zhí)行環(huán)境評估、水文地理、輔助水道測量、港口安全、巖屑區(qū)域繪圖等工作以及可以用在未來戰(zhàn)爭中,將是未來AUV發(fā)展的重點(diǎn)。
本文主要論述了便攜式AUV控制軟件的設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn),該軟件主要用于監(jiān)視AUV在水下運(yùn)行時的狀態(tài)信息以及控制AUV的運(yùn)行。AUV在水下運(yùn)行時的狀態(tài)信息包括位置信息、航向、艙內(nèi)溫濕度、推進(jìn)器轉(zhuǎn)速、舵的方向角以及在水面時GPS傳感器數(shù)據(jù)等信息,該軟件將這些信息顯示到界面上最終實(shí)現(xiàn)對AUV的監(jiān)控和導(dǎo)航。
1 便攜式AUV系統(tǒng)簡介
該小型AUV由兩個密封艙組成,前艙安置了傳感器系統(tǒng),后艙安置了AUV推進(jìn)器以及方向舵的控制系統(tǒng)。兩個密封艙中間放置的一個垂直推進(jìn)器用來控制AUV的上下運(yùn)動,后艙安放了用于控制AUV水平方向的水平推進(jìn)器和方向舵。系統(tǒng)搭載了AHRS、數(shù)字羅盤、GPS等傳感器,這些傳感器采集到的數(shù)據(jù)用于AUV的導(dǎo)航。AHRS傳感器用來測量AUV的航向角、俯仰角、橫滾角、3個方向的速度、加速度;數(shù)字羅盤測量AUV的航向角等信息控制軟件對一串口進(jìn)行操作,該串口連接與AUV進(jìn)行通信的無線模塊。將從無線模塊接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過慣性導(dǎo)航算法處理,根據(jù)協(xié)議將慣性導(dǎo)航算法處理結(jié)果發(fā)送到AUV,最終實(shí)現(xiàn)對AUV的控制。
2 串口通信
串口在做文件處理時,簡單的應(yīng)用可以采用查詢方式或定時方式,復(fù)雜的可以采用事件驅(qū)動的方式。所謂事件驅(qū)動,即當(dāng)串口有數(shù)據(jù)進(jìn)入輸入緩沖區(qū)時,自動執(zhí)行接收程序。利用WinAPI讀/寫串口操作可以有同步方式與異步方式。所謂同步方式是指發(fā)出寫命令時,直到有數(shù)據(jù)寫入到輸出緩沖區(qū)寫函數(shù)才返回。異步方式的重疊方式是指發(fā)出寫操作命令后,不管寫操作是否完成,寫函數(shù)馬上返回,寫操作在后臺繼續(xù)進(jìn)行,寫操作完成后通過某種方式通知調(diào)用寫操作的線程。這樣避免了主線程被掛起,提高了程序的工作效率。
2.1 串口通信設(shè)置
在實(shí)現(xiàn)串口通信時,首先在界面上設(shè)置串口號、波特率、校驗(yàn)等信息。單擊按鈕打開串口,進(jìn)入命令響應(yīng)函數(shù)OnBtnOpen(),利用API函數(shù)打開并對串口進(jìn)行配置。最后使用API函數(shù)CreateThread創(chuàng)建一個線程。由于軟件工作過程中需要傳送的數(shù)據(jù)量不大,所以僅僅打開一個串口。
主線程打開串口具體流程圖如圖1所示。
在主線程中打開串口的代碼如下:
m_hCom=CreateFile(m_port,GENERIC_READ|GENERIC_WRITE,0,NULL,OPEN_EXISTING,F(xiàn)ILE_FLAG_OVERLAPPED,NULL)
在串口操作線程中使用API函數(shù)ReadFile用于讀取串口數(shù)據(jù)ReadFile(hCom,buf,19,&Length,&Eol);而在該線程中向AUV發(fā)送控制指令時使用:
fState=WriteFile(m_hCom,buf,19,&m_bytes,&m_os Write)[!--empirenews.page--]
2.2 串口通信協(xié)議
串口通信必須遵守一定的通信協(xié)議,才可實(shí)現(xiàn)該控制軟件與AUV的正常通信。串口通信數(shù)據(jù)格式如圖2所示,圖中Data0,Datal,Data2 …代表一個字(2 B)。
發(fā)送或接收的一幀數(shù)據(jù)最長為19 B,Data0中第1個字節(jié)代表指令(0xA1)、請求(0xB2)或者正常應(yīng)答(0xC3)等含義;Data0中第2個字節(jié)代表具體指令、請求何種信息或者某種信息的應(yīng)答。Data1,Data2,…代表發(fā)送或者接收到的數(shù)據(jù)。開關(guān)機(jī)指令長度為19 B,第19字節(jié)控制8個繼電器,1,0分別表示開、關(guān)第零位控制總電源。開機(jī)、關(guān)機(jī)指令前18 B分別是:
~A16613579BDF02468ACE13579BDF02468A
~A166DF985713CE8A4602DF9B5713CE8A46
開機(jī)指令的第19個字節(jié)根據(jù)需要選擇相應(yīng)的繼電器開啟或關(guān)閉;關(guān)閉指令第19個字節(jié)為0x00,所有的繼電器關(guān)閉。[!--empirenews.page--]
3 軟件實(shí)現(xiàn)
3.1 多線程實(shí)現(xiàn)
一個進(jìn)程可有多個線程,使用多線程可提高軟件的執(zhí)行效率。該控制軟件共有3個線程組成,包括一個主線程、一個導(dǎo)航線程和在成功打開串口后利用API函數(shù)CreateThread創(chuàng)建的一個串口操作線程(如圖3所示)。
串口操作線程讀取串口數(shù)據(jù),并提取有效數(shù)據(jù),接著利用函數(shù)PostMessage將有效數(shù)據(jù)分別傳送到主線程和導(dǎo)航線程。主線程將有效數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議進(jìn)行解包并把數(shù)據(jù)包中包含的AHRS、數(shù)字羅盤、GPS等傳感器和推進(jìn)器、前艙環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)顯示到界面上。當(dāng)使用搖桿控制AUV的運(yùn)行時主線程每隔0.5 s從USB接口接收數(shù)據(jù),并轉(zhuǎn)換成推進(jìn)器轉(zhuǎn)速以及方向舵的方向角信息,且將這些信息發(fā)送到串口操作線程寫入串口。
在主線程中創(chuàng)建串口操作線程的代碼如下:
hThread=CreateThread(NULL,0,ThreadProc,(LPVOID)this,0,NULL);
在串口操作線程中將有效數(shù)據(jù)發(fā)送到主線程的代碼如下:
PostMessage(*pDlg,WM_MYMSGl,
(WPARAM)buf,(LPARAM)Length);
3.2 關(guān)鍵算法
由于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供的位置估計(jì)精度會隨時間而漂移,所以導(dǎo)航線程采用基于GPS/INS的組合導(dǎo)航算法,用GPS輔助導(dǎo)航,即用GPS信息輔助修正慣導(dǎo)系統(tǒng)的輸出,包括航向角和速度。對AUV的航向角信息修正是通過經(jīng)典的PID控制算法來實(shí)現(xiàn)的,如圖4所示。
設(shè)Ji-1,Ji為AUV的2個節(jié)點(diǎn),AUV即A點(diǎn)從Ji-1到Ji點(diǎn)運(yùn)行。設(shè)正北方向矢量為,根據(jù)圖5按照下式可計(jì)算出角度θ。角度θ計(jì)算公式為:[!--empirenews.page--]
在AUV進(jìn)行Ji-1~Ji段的航行時,AUV根據(jù)導(dǎo)航算法不斷算出坐標(biāo)并判斷是否到達(dá)指定區(qū)域,當(dāng)離指定區(qū)域?yàn)镽時(R很小),即可判定到達(dá)指定區(qū)域。在到達(dá)指定區(qū)域之前不斷利用AUV PID航向角閉環(huán)控制算法修正航向角θ,最終實(shí)現(xiàn)AUV的GPS/INS組合導(dǎo)航。
4 控制軟件界面及實(shí)驗(yàn)結(jié)果
4.1 軟件界面
本文設(shè)計(jì)的軟件界面左側(cè)上半部分和右側(cè)主要實(shí)現(xiàn)對AUV的控制,界面左側(cè)中下部分的3個儀表盤和TAB頁控件顯示AUV的各個狀態(tài)信息。
單擊開機(jī)、關(guān)機(jī)按鈕將實(shí)現(xiàn)AUV的開啟與關(guān)閉;單擊詢問AUV按鈕,此時應(yīng)答情況為AUV存在,表示監(jiān)控軟件與AUV的通信正常,否則應(yīng)該檢查無線模塊和AUV。單擊前艙參數(shù)、GPS經(jīng)緯度、GPS時間、推進(jìn)器狀態(tài)、AUV航向角等按鈕將持續(xù)獲得AUV相應(yīng)的信息;步進(jìn)電機(jī)控制按鈕用于實(shí)現(xiàn)方向舵的調(diào)整,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)AUV方向的調(diào)整。為了防止步進(jìn)電機(jī)失步,這里還特意設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)的微調(diào)按鈕,目的是在步進(jìn)電機(jī)失步時將方向舵調(diào)整回原位置。
該控制軟件還以儀表盤的方式顯示推進(jìn)轉(zhuǎn)速、羅盤、溫、濕度等信息。
以速度儀表盤為例,當(dāng)從串口接收到的數(shù)據(jù)中提取出水平推進(jìn)器或垂直推進(jìn)器速度信息時,將速度信息存放到成員變量m_Spd1或者m_Spd 2。利用API函數(shù)得到控件IDC_STATIC_SPD的區(qū)域坐標(biāo)rect2,調(diào)用API函數(shù)InvalidateRect(&rect2)重繪,將進(jìn)入函數(shù)CDspsockDlg:OnPaint()重繪。利用MFC中的函數(shù)Pie,Ellipse,SetBkColor,TextOut畫出儀表盤背景。最后通過下列兩個公式將速度值轉(zhuǎn)換成對話框上的坐標(biāo)值,調(diào)用函數(shù)畫一條連接該區(qū)域中心位置到該點(diǎn)(a1,b1)的直線,最終實(shí)現(xiàn)儀表指針隨速度值的變化。坐標(biāo)(a1,b1)計(jì)算公式如下:
b1=60sin((m_Spd1×3/25+150)π/180)
a1=60cos((m_Spd1×3/25+150)π/180)
4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
軟件運(yùn)行期間界面顯示如下。圖6顯示了溫、濕度分別是32°,51.5°;單擊復(fù)位按鈕、溫濕度指針將分別指向-30°,20°位置處;圖6還顯示了2個推進(jìn)器的速度信息,其中水平推進(jìn)器速度為1 180 r/min,垂直推進(jìn)器速度為0.此時AUV在水平方向運(yùn)動垂直方向靜止。
5 結(jié)語
介紹了20 kg級便攜式AUV控制軟件的實(shí)現(xiàn),該軟件利用串口通信技術(shù)、多線程編程技術(shù)在傳輸數(shù)據(jù)量不很大的情況下表現(xiàn)了良好的性能。軟件以穩(wěn)定的性能、友好的界面及簡單的操作方法滿足了對便攜式AUV的監(jiān)視和控制。