基于CAN總線的水下機(jī)器人執(zhí)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

與傳統(tǒng)的纜控水下航行器(ROV)相比，自主水下航行器(AUV)具有如下特點(diǎn)：(1)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，活動(dòng)范圍大，可沖破人工潛水極限進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行接近觀測(cè)；(2)體積小，使用方便，便于布放和回收；(3)可根據(jù)水聲信號(hào)遙控或預(yù)置程序控制，按要求進(jìn)行相關(guān)項(xiàng)目觀測(cè)；(4)有自主動(dòng)力，水下運(yùn)行時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，有源噪聲低等。

因水下機(jī)器人裝配有大量傳感器，要求控制系統(tǒng)具有較高的處理速度，又因開(kāi)發(fā)費(fèi)用較高，必須具有很好的可擴(kuò)展性來(lái)改變測(cè)量裝置以實(shí)現(xiàn)多功能。分布式控制系統(tǒng)在適用范圍、可擴(kuò)展性、控制速度、系統(tǒng)模塊化、可維護(hù)性、抗單點(diǎn)故障等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，是極佳的選擇。

圖1所示為本文開(kāi)發(fā)的基于CAN總線的分布式水下機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。CAN總線具有如下特性：(1)實(shí)時(shí)性高。多主站工作方式，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸率高(1Mbit/s)；(2)檢錯(cuò)和糾錯(cuò)機(jī)制強(qiáng)。發(fā)送信息損壞自動(dòng)重發(fā)，采用獨(dú)特的非破壞總線仲裁技術(shù)，有CRC及其它校驗(yàn)；(3)連接簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展性強(qiáng)，開(kāi)發(fā)方便。通訊協(xié)議與開(kāi)放系統(tǒng)互連模型OSI一致，應(yīng)用層協(xié)議可有用戶自己定義。

圖1　水下機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)由各個(gè)功能節(jié)點(diǎn)通過(guò)CAN總線連接構(gòu)成，各節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間并行工作，只在必要時(shí)與中央控制節(jié)點(diǎn)通訊。其中的執(zhí)行節(jié)點(diǎn)直接控制AUV的現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)AUV的功能實(shí)現(xiàn)性起著至關(guān)重要的作用。在研究開(kāi)發(fā)的AUV中，執(zhí)行節(jié)點(diǎn)除完成CAN通信外，還有以下幾個(gè)主要功能：(1)航行速度控制功能。其執(zhí)行部件為一三葉螺旋槳，產(chǎn)生主推力；(2)航行方向控制功能。執(zhí)行部件是一對(duì)垂直舵；(3)航行深度控制功能。實(shí)現(xiàn)深度控制與縱傾控制，執(zhí)行部件是一對(duì)水平舵；(4)傳感器模塊的旋轉(zhuǎn)調(diào)平控制功能，實(shí)現(xiàn)部分傳感器位姿調(diào)整。其中，(1)為速度伺服控制系統(tǒng)，(2)，(3)，(4)為位置伺服控制系統(tǒng)，均由無(wú)刷直流伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

執(zhí)行節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

CAN接口設(shè)計(jì)
節(jié)點(diǎn)主芯片選用Philips公司的P87C591，其兼容80C51指令集，并成功的集成了Philips公司的SJAl000CAN控制器，該嵌入式CAN控制器具有以下特點(diǎn)：(1)完全符合CAN210規(guī)范，控制CAN幀的接收和發(fā)送；(2)CAN接口包含5個(gè)實(shí)現(xiàn)CPU與CAN控制器連接的特殊功能寄存器。對(duì)重要CAN寄存器的訪問(wèn)通過(guò)快速自動(dòng)增加的尋址特性和對(duì)特殊功能寄存器的位尋址來(lái)實(shí)現(xiàn)；(3)CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū)能夠保存一個(gè)完整的CAN信息幀(擴(kuò)展或標(biāo)準(zhǔn)幀)，只要通過(guò)CPU啟動(dòng)發(fā)送，信息就從發(fā)送緩沖區(qū)傳輸?shù)紺AN內(nèi)核模塊；(4)當(dāng)接收一個(gè)信息時(shí)，CAN內(nèi)核模塊將串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)津?yàn)收濾波器，通過(guò)此可編程濾波器，P87C591確認(rèn)接收需要的信息。

圖2所示為以P87C591為核心的CAN節(jié)點(diǎn)接口電路。P1.0，P1.1分別對(duì)應(yīng)CAN的收(RXDC)和發(fā)(TXDC)線，通過(guò)高速光耦(6N137)與總線實(shí)現(xiàn)光電隔離。CAN收發(fā)器選用Philips的P82C250，以差分方式發(fā)送，CAN總線末端加124的終端匹配電阻。

圖2　CAN總線接口電路

無(wú)刷直流伺服系統(tǒng)構(gòu)建
根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合，選擇了瑞士Maxon公司的EC系列無(wú)刷直流伺服電機(jī)(DCBrushless ServoMotor)，其滿足以下要求：(1)電機(jī)重量輕，體積小，這在水下潛器設(shè)計(jì)中是十分關(guān)心的問(wèn)題，而且轉(zhuǎn)動(dòng)慣量約可減少50%左右；(2)無(wú)機(jī)械換向，大大減少了電磁干擾，適合AUV在狹小空間容納多種傳感器的特點(diǎn)；(3)特征曲線基本為直線，控制性好；(4)有一定的防潮和耐高溫能力。螺旋槳驅(qū)動(dòng)和舵驅(qū)動(dòng)功率不同，分別為400W和80W；工作電壓分別為直流48V和直流24V。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用美國(guó)Accelus公司的直流無(wú)刷數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器，其有以下特點(diǎn)：(1)全數(shù)字驅(qū)動(dòng)器，電流、速度和位置三環(huán)控制可以自由配置；(2)驅(qū)動(dòng)器中集成有flash存儲(chǔ)器，其有配套的計(jì)算機(jī)軟件，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器上的RS232端口對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行部分功能設(shè)定。(3)由于為全數(shù)字驅(qū)動(dòng)器，與控制器連接簡(jiǎn)單。

圖3表示了一路直流無(wú)刷電機(jī)伺服系統(tǒng)。對(duì)螺旋槳，驅(qū)動(dòng)器設(shè)置成速度控制模式，其它設(shè)置為位置控制模式。螺旋槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用PWM調(diào)速方式，其它驅(qū)動(dòng)電機(jī)都通過(guò)微控制器I/O口輸出脈沖控制。

圖3　無(wú)刷電機(jī)伺服控制系統(tǒng)示意圖

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器按要求進(jìn)行合理設(shè)置和連接后，與控制器P87C591密切相關(guān)的信號(hào)線有兩條：一條控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速或位置，一條控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。對(duì)螺旋槳控制，將其驅(qū)動(dòng)器設(shè)置為速度模式，采用PWM調(diào)速控制，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與PWM的占空比成正比。其它電機(jī)控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)器設(shè)置為位置模式，由于這幾個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求不高，采用定轉(zhuǎn)速，這樣脈沖頻率恒定，通過(guò)對(duì)P87C591的定時(shí)器編程產(chǎn)生脈沖，另外用控制器的一個(gè)端口控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

為了保證系統(tǒng)工作安全、可靠，在控制器與驅(qū)動(dòng)器之間，采用高速光耦6N137進(jìn)行隔離，其原因：(1)控制器和驅(qū)動(dòng)器存在接地電位差；(2)抑制環(huán)境干擾信號(hào)；(3)控制器供電4.5～5V，為弱電，而驅(qū)動(dòng)器供電20～70V，相對(duì)較高。在電源輸入和電機(jī)輸出都配置保險(xiǎn)絲進(jìn)行安全保護(hù)。

執(zhí)行節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用層協(xié)議制定
在CAN210規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中，為了用戶使用的靈活性，只對(duì)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行了規(guī)定，沒(méi)有定義應(yīng)用層，這就需要用戶根據(jù)自己需求制定應(yīng)用層協(xié)議。雖然目前可以使用一些成熟的應(yīng)用層協(xié)議，如HiLon、CANOpen、DeviceNET和SDS協(xié)議等，但缺乏針對(duì)性，因此首先制定CAN應(yīng)用層協(xié)議。