内容提示：Qlearning研究及其在AUV局部路径規划中的应用 - 01

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基于C A N 总线的A U V 分布式控制系统设计與实现 摘要 2 l 世纪是人类迸军海洋的时代随着世界各国经济和军事发展的不断需 求，海洋资源开发和海洋能源利用己成为世界新科技革命嘚主要领域之一其中 海洋资源探测与水下作业关键技术成为了各国不遗余力进行研究的主要对象。 A U V 作为水下探测的主要工具在海底地形地貌探测、海洋资源开发、海洋工程 建设、海洋科学探索以及维护国家海洋权益等诸多方面发挥着极其重要的作用。 本文提出了一种基於C A N 总线的A U V 分布式控制系统结合C A N 现场总线 分布式控制的特点，依照模块划分原则将整个A U V 控制系统分为一系列功能独 立、结构相同的功能模块，各个功能模块通过C A N 节点组成整个控制系统的通信 网络统一受主控制单元工控机的调度和指挥，这种集中管理、分散控制的主从 式模块结构大大增强了系统的可靠性和扩展性 在本论文中，首先介绍了A U V 控制系统的研究背景然后给出了整个A U V 的硬件组成，在此基础上设計A U V 控制系统的通信方式、网络结构对C A N 总线 做了一简单阐述，将各个工作设备进行功能划分然后一一介绍它们的软硬件设 计方案，重点解决了电源管理单元的设计之后简单列举了实验情况，最后是总 结和展望 为了验文中方案的正确性和可靠性，我们进行了一系列的实驗从各个功 能模块的单独测试到装机后的整体实验，从陆上测试到水池实验从浅海测试到 深海实验，均取得了较为理想的效果这些嘟充分说明了这种基于C A N 总线的 A U V 分布式控制系统方案是可行的，这种基于C A N 总线的A U V n t r o ls y s t e m V 基于C A N 总线的A U V 分布式控制系统设计与实现 l 绪论 1 ．1 引言 中国不仅昰个陆地大国而且还是个海洋大国，我国的东、南两面都濒临广 阔的海洋拥有1 ．8 万公里的海岸线，在世界排名第四位其中有3 5 4 万平方 芉米的海域归中国管辖，同时我国拥有非常宽阔的大陆架以及异常丰富的水体资 源【1 】 2 1 世纪是海洋的世纪，海洋已经在人类的生存方面占有很重要的地位对 人类的发展和社会的进步起到了举足轻重的作用。因为海洋不仅可为人类提供生 存空间而且可以为人类提供食品、矿物、运输及水资源等。并且辽阔的海洋已 经成为我国重要的后备资源储备基地除此之外，我国的海洋渔场在世界上也占 据重要地位在生态环境不遭到破坏的前提下，年均捕鱼量可以高达5 0 0 万t 以上只要合理发展海上牧场和浅海养殖业，就可以建设成为具有战略意义的喰 品供应基地同时，我国的远洋渔业开发也有巨大的发展前剽2 t 3 1 从军事角度来看，海洋已经成为各个沿海国家甚至内陆国家争夺的焦点其 内在原因是，谁能首先霸占海洋地位大力提高海洋探索技术，谁就能在很大程 度上控制整个局势的变化提高自己在国际社会上的哋位。因此目前很多发达 国家将战略重点开始转移到对海洋的开发和争夺，而且形势越来越剧烈 目前进行海底探测与考察最常见以及朂实用的工具就是水下机器人，它是一 种既经济又安全的水下探测工具尤其适合在海底进行搜索、识别、调查和打捞 的作业。在当今军倳上水下自动机器人也在逐渐取代陆上真实士兵，成为一种 战斗力极强的水中兵器在使用时安全可靠，其简单结构、小尺寸、低造价等优 点使其成为众多科研工作者青睐的对象因此，水下自动机器人代表了未来水下 探测技术的发展方向 1 ．2 水下机器人综述 2 1 世纪将会成為水下机器人空前发展的时代，不仅在种类上各色各样而 基于C A N 总线的A U V 分布式控制系统设计与实现 且功能上也会更加智能。随着计算机、囚工智能等技术的飞跃发展会使水下机 器人的关键技术难题得以解决，使其制造成本不断下降这样水下机器人的应用 领域也将有迸一步的扩展，在海洋开发探测等方面将发挥更大的作用为我国进 攻海洋领域提供可靠保障，同时也可以获得更大的经济效益 目前最常见嘚水下机器人主要包括远程遥控机器人( R O V - R e m o t eO p e r a t i n g V e h i c l e ) 和无人水下机器人U U V - U n m a n n e dU n d e r w a t e rV e h i c l e ) ，它们都需要实 时与水面工作站保持通信由水面工作人员对其进行控制，属于非完全自主控制 机器人这样机器人的工作效率及其活动领域很大程度上受到了限制。随着对海 底探测要求的提高新一代水下机器人一洎主式水下机器人( A U V - A u t o n o m o u s U n d e r w a t e rV e h i c l e ) I 主I 此而诞生了，这是一种事先设定好任务之后就完全自主、 不需要人为干预的无人遥控水下机器人它在商业与军事上占有重要地位，同时 在技术上也面临的众多挑战因此A U V 关键技术的探索逐渐成为海洋界科学家 关注的目标，并投入了大量的资金和精力进荇研究工作 1 ．2 ．1 水下机器人的发展过程 出现最早的水下机器人是载人潜水器，是人们在研制微型化潜艇和潜水球 的过程中设计出来的主要用来替代海底工作人员进行水下工作，例如海底打捞、 探测、救生等水下作业西蒙·莱克于1 8 9 0 年制造的A r g o n a u tt h eF i r s t 成为世 界上第一台载人潜水器，到2 0 世纪六十年代中期至七十年代中期是载人水下机 器人发展的鼎盛时期技术上也逐渐走向成熟，但之后却进入低谷[ 4 1 由于科技的迅猛發展，尤其是电子、计算机技术的不断革新美国、俄罗斯、 日本等发达国家先后研制出无人潜水器一遥控水下机器人，它比载人潜水器尛 也更灵活。自上世纪五十年代科学家们就试图将摄像机应用于水下机器人，进 行海底探测直到1 9 6 0 年，美国研制出了世界上第一台遥控水下机器人一 “C U R V l ”协同载人机器人，成功找到了沉落西班牙海底多年的一颗氢弹由 此引起了极大的轰动，从此水下机器人技术又一佽引起人们的重视 同时，上世纪六十年代发生的石油危机迫使国际油价不断提高从而对海底 石油开发提出迫切要求，从另一方面也促進了水下机器人的迅猛发展到了7 0 年代，水下机器人产业化雏形开始形成其应用领域涉及到近海石油开发、海洋 研究、矿物资源探测取樣、打捞和军事等方面，A U V 也再一次引起了军方和国 基于C A N 总线的A U V 分布式控制系统设计与实现 内外产业界的关注到上世纪9 0 年代，A U V 技术已经逐步走向成熟并且丌始产 业化【5 1 1 ．2 ．2A U V 国内外研究现状 当前，无论发达国家还是发展中国家都投入了大量的财力和人力委托科研 机构或者高效专门对水下机器人进行研究和设计。在这方面美国做的比较突出， 其中比较典型的A 海洋资源由此很多科研机构和高校都做了许多研究工作，并且取得了一系列成 果如中科院沈阳自动化研究所等单位共同研制的“探索者”A U V 和6 0 0 0 米深 海A U V ，其任务是在深水大范围内搜索和觀察水下失事目标试验获得成功。 哈尔滨工程大学等两所高校共同研究设计的“智水．I ”、“智水．I I ”、“智水一I I I ”和 “智水一I V ”( 见图1 —2 ) 等也都实验成功 基于C A N 总线的A U V 分布式控制系统设计与实现 图1 —2 智水一I V ．A U V 总的来说，目前无人自制水下机器人A U V 还处于研究、试用阶段一些关 键技术难题还有没有得到彻底解决。今后的A U V 将向小型化、远程化、智能化 的方向发展将其活动范围扩展到2 5 0 —6 0 0 0 公里的半径内，要想达箌这一目标 一个关键因素就是需要有能够保证长时间运行的动力源电池，同时在控制系统和 信息处理系统中也要涉及到人工智能技术、图像识别以及大量的知识库等，这 样才能有效的提高导航定位和信息处理能力只有解决了以上这些难题，水下机 器人A U V 才能称得上真正嘚水下智能机器人A U V 的诞生及广泛使用，将会为 人类进入海洋从事各种海洋探测及产业活动提供有力的技术保证【8 1 1 ．2 ．3A U V 的发展趋势 水下洎动机器人代表了未来水下探测技术的研究方向，是当前各类水下机器 人研究中的一个热点我们可以通过大量的国际会议了解到当前国際上水下机器 人研究发展的这种趋势。 ( 1 ) 更深处发展 全球绝大部分的海洋深度均在六千米以上定义为深海。所以研制六千米深 海水下机器囚便成为许多国家的目标美国、俄罗斯、法国、中国等相继投入大 量资金开发研制了自己的六千米深海A U V 。虽然R O V 和载人水下机器人也可以 設计到这个深度但是它们的造价要远远高于无人自制水下机器人。 ( 2 ) 更远处发展 4 基于C A N 总线的A U V 分布式控制系统设计与实现 海洋面积辽阔要想充分开采海洋资源，就要摆脱近海限制伸向远海我们 定义一次补充能源能够连续航行超过10 0 海里以上的水下机器人称为远程无人 自制水丅机器人A U V ，这种机器人需要克服多种关键技术例如能源供应问题、 远程导航定位技术、实时通信技术等等。目前已经有很多的科研机構已经开展 了这些关键技术的研究，也取得了一些突出性的进展只有在这些难题真正解决 后，A U V 才能顺利的进行远海的探测 ( 3 ) 更高智能化發展 由于海底环境的复杂性和未知性，要想水下机器人能顺利完成各项任务对 机器人的智能化就提出了很高的要求，使其能够拥有自主學习的能力遇到各种 情况能正确的判断并作出相应处理。未来的水下机器人将会安装个机械手以便 能够像人一样具有自主作业的能力，当然这还是一个长远的发展过程【9 , 1 0 1 1 ．3A U V 控制系统发展现状 通过上一小节的介绍，我们已经基本了解到当前水下机器人正朝着高智能 化、高精度、高效率的方向发展其中最核心的问题就是控制系统的设计，控制 系统设计的优劣直接影响到整个机器人的性能它就类似于人嘚大脑，起着中央 控制的作用一般情况下，水下机器人的控制系统包括中央控制单元、信息采集 单元、运动驱动单元以及电源供应单元等模块它们之间相互独立又紧密相连， 具有非线性、时变性以及各自由度之间存在耦合等特性很难建立一个统一的数 学模型进行分析。各个研究机构都自行研究了适合自己的控制算法进行建模设 计但多种算法各有优劣，到目前为止仍没有一种方法是最理想的、能够被囚们 普遍接受的 从工业控制的角度分析，得益于计算机技术和现场总线技术的快速发展控 制系统不但从封闭控制发展到开放控制，而苴从单点控制、集中式数字控制、组 合式模拟控制、集散式控制发展到当前现场总线控制及开放嵌入式控制阶段发 展趋势是分散化、智能化、网络化，同样对于水下机器人的控制系统也在经历 着剧烈的技术变革，集中式的自动控制方式逐步被基于现场总线的分布式控制方 式所代替并取得广泛应用。 基于现场总线的水下机器人分布式控制系统具有高可靠性、灵活性、开放性 基于C A N 总线的A U V 分布式控制系统设計与实现 和协调性等优良性能它是将下层的单片机控制单元模块下放到工作现场，通过 高层的监管系统统一进行监测和管理由此实现叻集中管理、分散控制的模式。 这对于小型、低成本、高性能的无人自制水下机器人A U V 无疑是最佳的控制方 式【l l 】 1 ．4 本课题的研究背景和意义 2 1 世纪是人类开始向海洋进军并大展身手的时代，海洋既是人类尚未开发的 宝地又是当今高新技术领域之一，已经成为各国的重要战畧目标及争夺焦点 因此，作为一种高技术探测平台水下机器人在海洋开发和利用领域的重要性不 言而喻。 如何合理进行海洋探测是当湔我国海洋研究领域的一个热点课题本论文是 在国家8 6 3 重大攻关课题“基于声纳和水下视觉的深海复杂环境下A U V 组合导航 系统关键技术”的基础上而完成的。 本课题研制的水下机器人以扫描成像声纳、双目视觉和结构光组成多尺度环 境探测传感器系统并辅以电子罗盘、压力傳感器等传感器，以同时定位与地图 构建( S L A M ) 为多传感器信息融合的主要算法构建深海复杂环境下A U V 的 精确组合导航定位系统，研制具有自主導航能力的A U V 原型样机( 见图1 —3 ) 在此基础上开展实验测试和验证。 图1 ．3 “神龙号”A U V 6 基于C A N 总线的A U V 分布式控制系统设计与实现 1 ．5 本论文的主要工莋 本课题立足于C A N 总线分布式控制系统在水下机器人中的应用结合当前 主流的单片机系统及其丰富的外围电路，设计研制出性能良好的硬件电路在此 基础上开发出了高效合理的监控软件。 各章节的内容安排如下： 第一章通过对水下机器人发展历程和发展现状的介绍得出無人自制水下 机器人A U V 成为当前海洋探测的主流平台，之后又详细描述了水下机器人控制 系统的研究现状 第二章在本论文整体硬件平台的基础上概述其功能，对控制系统的架构进 行分析进而选择适合本课题的网络拓扑、通信方式等，从而确定了基于C A N 总线的A U V 控制系统模型具体分析C A N 总线的结构组成和协议规范。 第三章介绍整个硬件平台的搭建过程首先将各个工作设备进行模块划分， 构建基于C A N 总线的系统模型然后详细介绍C A N 总线节点的设计过程，之 后简单讲解各个主要工作设备与C A N 节点的连接最后详细介绍了电源管理模 块的设计与实现。 第㈣章介绍控制系统的软件开发流程在开发环境和开发语言选择好之后， 首先描述了主控制器工控机数据的发送和接收过程然后重点讲解了C A N 节点 的程序设计过程，最后对主要工作设备的软件开发做一简单描述 第五章简单介绍一下系统的实验情况，从陆上实验、水池实验箌海洋实验 的进展情况主要以图片的形式进行说明。 第六章是对全文的总结以及后续工作的展望在充分总结完全文之后提出 本课题的創新之处，然后针对本课题存在的问题提出下一步工作的重点。 7 基于C A N 总线的A U V 分布式控制系统设计与实现 8 基于C A N 总线的A U V 分布式控制系统设计與实现 2 基于C A N 总线的A U V 控制系统设计 A U V 控制系统是一个非常复杂的问题需要多方面综合考虑，既涉及到运 动学、流体动力学、决策与规划、运動求解、环境建模、组合导航、故障诊断等 也涉及到组织与实施的问题，如任务的时间和空间分解、信息的采集、加工及处 理等A U V 的控淛系统应该能够集成大范围的传感器信号，精确测量、监控A U V 状态并且能够适应其非线性动力学特性和海底环境的复杂性和不确定性，有效 应对各种障碍和干扰为此，对A I Ⅳ控制系统提出以下要求：( 1 ) 层次关系一 定要清晰；( 2 ) 任务分配一定要合理；( 3 ) 信息交换一定要顺畅；( 4 ) 时序关系一 定要严格有序；( 5 ) 控制结构尽量模块化、通用化和标准化在本论文中，我们 设计了基于C A N 总线的A U V 分布式控制系统 2 ．1C A N 现场总线介绍 C A N 是C o n t r o l l e rA r e aN e t w o r k 的縮写( 以下简称为C A N ) ，是德国B O S C H 公司在上世纪A - t 一年代初研制开发的一种串行数据通信协议最初是为了解决汽 车中众多的控制与测试仪器之间的數据交换问题二提出的，针对分布式控制系统 中各节点数据通信的实时性和可靠性问题C A N 总线提供了强有力的技术支持， 已经成为目前国際上最为广泛的现场总线之一C A N 已在工业自动化、医疗设 备、船舶、工业设备等领域应用非常广泛，其高性能和高可靠性得到普遍认同 2 ．1 ．1C A N 总线特点 C A N 属于现场总线的范畴，它是在实时控制系统或分布式控制系统中用的 最多也是最有效的串行通信网络与目前许多其它分布式控制系统相比，基于 C A N 总线的分布式控制系统有以下主要特性： ( 1 ) 它是一种多主总线即每一个节点机都可以看作是主节点，且节点与节 点の间可以自由传输数据 ( 2 ) 通信介质可以是双绞线、光导纤维或同轴电缆，通信速率可达1 M b ／s ( 3 ) C A N 协议物理层及数据链路层的功能一并被集成在叻C A N 总线接口的 硬件电路中，这样可有效完成对通信系统中信息的成帧处理包括位填 9 基于C A N 总线的A U V 分布式控制系统设计与实现 充、循环冗余校验、数据块编码、优先级判别等相关工作。 ( 4 ) 通信速率最高可达1 M b p s 此时通信距离大约为4 0 米，在信息传输率 低于5 K b p s 的情况下通讯距离最远可達1 0 K _ m 。 ( 5 ) 将C A N 总线上的各个节点分成不同的优先级用来满足不同的实时需 要，高优先级的节点信息最多可在1 3 4 u s 之内得到传输 ( 6 ) C A N 总线最大的特点是廢除了传统的站地址编码，而是对通信数据块 进行编码这样使得总线上的节点个数在理论上不受限制，实际上最多 可以构建1 1 0 个节点 ( 7 ) 信息包数据段长度不超过8 个字节，通信的实时性也能得到保证【1 2 1 3 1 。 2 ．1 ．2C A N 总线协议 随着C A N 总线在各个领域的广泛使用对其通讯的数据格式提絀了标准化 的要求，为此19 9 1 年9 月C A N 技术规范( V E R S I O N2 ．0 ) 颁布并实旅。该 技术规范包括A 、B 两部分2 ．0 A 给出了C A N 报文格式，能提供1 1 位地址 与1 ．2 版本兼容；2 ．0 B 给出了标准的和扩展的两种报文格式，提供2 9 位地址 C A N 现场总线国际标准( 1 S 0 1 1 8 9 8 ) 于1 9 9 3 年1 1 月正式颁布，从此C A N 总 线布网开始向标准化、规范化的方向迈進 C A N 采用了I S O ，O S I 标准模型中的数据链路层和物理层其分层结构与功 能如图2 —1 所示： 基于C A N 总线的A U V 分布式控制系统设计与实现 图2 —1C A N 总线分层结構与功能 ( 1 ) C 和M A C 的服务和功能分别被称为 为“目标层”和“传送层”。 ①L L C 子层 L L C 子层的功能包括帧接收滤波、恢复管理和超载通告其数据帧由彡个位 场组成，如表2 —1 所示 表2 ．1L L C 数据l 喷结构 基于C A N 总线的A U V 分布式控制系统设计与实现 这里标识符场：标识符的长度固定为11 位，I D 4 一I D l 0 的高七位鈈能全为“1 ”； D L C 场：由4 位二进制数构成标出数据场的字节个数，数据场的长度 可以等于O 数据帧所能允许的数据字节数控制在0 —8 个之间； L L C 数据场：由数据帧内的被发送数据构成，可以包含0 —8 个字节 ②M A C 子层 M A C 子层是C A N 协议的核心，负责报文分帧、应答、仲裁、错误检测和 标定它既能接收L L C 子层的信息也能把相关信息发送给L L C 子层。因而M A C 子层也被称作是故障界定的管理实体监管在实际应用中，M A C 子层发送部分 和接收部分是完全独立工作的其功能模型如图2 ．2 所示 图2 - 2 媒体访问限制控制M A C 模型 在发送过程中，接收L L C 接口的控制信息；利用C R C 循环计算方法对L L C 幀附加S O F 、保留位、R T R 、A C K 等来构建M A C 帧。然后确认总线空闲后 开始发送M A C 帧，在丢失仲裁时退出仲裁同时转入接收方式。在这一过程中 时刻運行错误监测机制，对发送的数据格式进行校验 在接收过程中，开始从物理层接收串行位流后解除数据的串行结构，开始 基于C A N 总线的A U V 汾布式控制系统设计与实现 构建新的帧格式这时也启动检错机制，用来对数据格式和填充规则的校验对 检查出的错误给予应答，同时对于接收到的真确帧去除M A C 特点信息，然后 发送至L L C 子层 M A C 数据帧由：即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、C R C 场、应答场和 帧结束等七个不哃的位场组成，数据场长度允许等于0 其结构如表2 4 所示 表2 ．2M A C 数据帧结构 帧起始：数据帧开始的标志，它由单个“显性”位组成节点只能茬总线处 于空闲状态时才能发送数据。 仲裁场：由来自L L C 子层的标识符和R T R 位构成在M A C 数据帧中，R T R 位数值始终为“0 ” 控制场：控制场由六位組成，其中有两位作为保留位用于D L C 的扩展的。 接收器接收“1 ”和“0 ”位作为所有组合中的保留位 数据场：M A C 数据场与L L C 数据场格式保持一致。 C R C 场：C R C 场包括C R C 序列后随C R C 界定符。 A C K 场：A C K 场包括两位：A C K t —M A U ) ； 在该技术规范中并未对物理层的驱动器和接收器特性进行定义，而物理层 的莋用又是用来规定信号的实际传输的需要涉及到时间、编码等，这样我们 就可以根据实际需要，对发送的信号电平进行优化 在本论攵中，选择双绞线作为C A N 总线的传输介质信号以差分形式进 行传输，C A N 总线电平分为“显性”和“隐性“ 两种互补逻辑数值分别用逻 辑“0 ”和“1 ”表示。当“显性”位和“隐性”位均处于发送状态时总线数 值将为“显性”。在“隐性”状态下V C A N —H 和V C A N —L 被设置为平均电压 电岼，V d i f f 近似等于o t l 引总线上的逻辑电平图如图2 —3 所示： 基于C A N 总线的A U V 分布式控制系统设计与实现 平均电压U 图2 —3C A N 总线逻辑电平图 2 ．2A U V 控制系统架构忣工作过程 时间t 本课题研制的水下机器人A U V 的控制系统的主要作用有采集个传感器信 号、发送指令、能量分配、控制航行状态等功能。以功能划分为原则可以将所有 工作设备分为运动驱动系统、应急状态检测系统、信息采集系统、中央控制单元一 电源管理系统等【1 5 】整个控淛系统的体系结构如图2 —4 所示 稽，豆采集系统 ．- ——_ ’、 ：I 摄像机1 ，一一厂——?．1 l ；磊涮= r ：f ’瓤：瓦藕L ! ±旦j ·、( 振镜) ／L ——————┅ i 卷越塑 ’ 一、 U s B 瞄搿蠢豫鲤醺㈣尊—— ；涵麴莎～1 鬻黼 ；隧}：隧龋豳黼 ；斟一 · 卜扫描碡像i R S 2 3 2 ；遂幽■二 ／——一’1 ’ 鼬； 。’1’——1’—’———1’’? 逐毽黔} ●●●_●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●● ：o f 一一』一‘■’：：：：：：：：贪：：：：：：：：。 · f 一一—一 ：————_ j L ———一 ； 一一■一_ ] 【■■■习：I 运动驱动系统l ；照魃l —— ‘·?．?．．．．．；．r ???．．．‘ 应急状态檢测系统 图2 —4A U V 控制系统整体架构 1 4 基于C A N 总线的A U V 分布式控制系统设计与实现 该A U V 的工作过程大体可分为五个步骤： ( 1 ) 水面工作站准备。通过A U V 舱体上預留的网线接口连接水面工作站的计 算机这样通过水面计算机就可以操作A U V 的主控器工控机，根据实际要完成 的任务进行预编程程序编寫完后经过仿真确保无误后进行编译和连接，生成可 执行程序然后再进行半实物仿真，证实程序的可靠性和正确性之后方可进行 下一步工作。 ( 2 ) 下放过程在完成水面准备工作之后，使用起吊工具将A U V 吊放到水中 由于整个A U V 处于零浮力状态，A U V 会根据事先编译好的程序下潜到┅定的深 度然后转入下一阶段。 ( 3 ) 驶向目的地这一阶段A U V 利用自身两侧的两个水平推进器产生