1、基于 PeliCAN 协议的 AUV 总线系统设计?244?计算机测量与控制.2006.14(2)ComputerMeasurementControl文章编号:1671-4598(200602-024403 中圈分类号:TP24 文献标识码:B基于 PeliCAN 协议的 AUV 总线系统设计朱健,刘卫东,黎(1_西北工业大学航海工程学院,陕西西安娜,张浩,高健磊.710072;2.西安石油大学,陕西西安 710065)擒耍:设计了基于 PeliCAN 协议的 AUV 总线系统 l 文中介绍了系统总体设计,系统工作流程和基于报文滤波的数据通讯过程 l 重点介绍了在报文标志符中加入子设备地址的设
2、计方法,在 CAN 总线原有的开放性基础上,使 AUV 系统的设备构成更加灵活自由,系统采用双冗余方法,备用总线使系统具有传输容错能力,监测记录系统作为主控计算机的备份,可代替发生故障的主机维持系统正常运转,提高了 AUV 的可靠性.关词:AUV 总线PeliCAN报文滤波CommunicationBUSSystemOfAUVBasedOnPeliCANZhuJian,LiuWeidong,LiNa,ZhangHao,GaoJianglei.(1.CollegeofMarine,NorthwesternPolytechniealUniversity,Xian710072,China;2.Xia
3、nUniversityofPetroleumIndustry,Xian710065,China)Abstract:AbussystembasedonPeliCANprotocoltofulfilltherigorousdemandofAUVisdesigned.Thesystemstructure,workingprocessanddatacommunicationbasedonmessagefilteringareintroduced.Adding$ubdeviceaddresstothemessageidentifiermakestheAUVsystemmoreexoterlcthanth
4、atbasedonstandardCAN.Doubleredundancyisusedinthesystemincludingredundantbusanddetectingrecordingdevicewhichisthesubstituteofmaincomputer.ItenhancesthereliabilityandfaulttoleranceofAUVsystem.KeywordstAUVFieldbus;PeliCANmessagefilteringO 引言自主式水下航行器(AutonomousUnderwaterVehicle)简称 AUV,也就是人们所说的水下机器人,适合于长
5、时间,大范围的水下作业,近 20 年来在民用及军事领域有了长足的发展.一般来说,不存在某种能够完成所有任务的全能型产品,AUV 应根据不同的任务目标,装备不同的探测装置或是执行机构.因此要求我们在设计当中,应结合其使用水域的特殊条件,构建一个灵活机动的系统软硬件体系.采用分布式控制和模块化的系统结构,可以很好的满足AUV 系统在开放性,可靠性和鲁棒性方面的要求,同时也更有利于系统的装配,拆卸,调试,故障检测与维修.另一方面,AuV 在水下自主作业,关键是要解决好潜航体的定位和导航问题,而要实现此目的,就必须依赖先进可靠的通讯与导航定位技术.本系统采用惯性导航结合 GPS 外部定位技术的具有综合
6、补偿和校正功能的智能综合导航系统,满足了 AUV自主航行对高可靠性,高集成度的需求 D-z.1 总体设计AuV 在水下作业期间,整个系统的运转是完全自治的,收稿日期:2005 一 O608;修回日期:2005 一 O717.基金项目:水下信息处理与控制国防科技重点实验室基金(51448060105HK0361)作者简介:朱健(1980 一), 男 ,陕西西安人,硕士研究生,主要从事先进控制技术及计算机仿真方向的研究 l刘卫东(1962), 男,陕西户县人,博士,教授,主要从事计算机测控系统设计,水下航行器控制与导引系统研究,计算机网络和多媒体等方面的科研和教学工作.中华浏控网一旦因为故障而丢失
7、,将会带来很大的经济损失,其既定的任务目标也将难以达成因此,作为其数字通讯链路的总线系统来说,除了需要达到一般工业现场总线的标准以外,还需要从总体结构上实现更好的容错能力和更高的可靠性.要求发生轻微故障时不影响整个总线系统正常工作,发生严重故障时系统能够迅速复位;当系统出现严重情况(如超深,后舱进水 ,电机故障)时,能使 AUV 进入故障处理状态,自动浮出水面 .在打捞回收之后,技术人员可根据所装备的内部通讯信息记录系统对故障原因做出判断,以便对整个 AUV 系统做出进一步的改进.1.1 协议选择由于 AUV 的工作环境具有强机械震荡,电磁干扰等特点,因此对其自身系统的各模块有着很高的要求,普
8、通总线系统难以满足 CAN 总线作为一种新兴的现场总线技术,其多主工作方式,非破坏总线仲裁,短帧结构,尤其是高可靠性和较强容错能力的特点,使它非常适合用作 AUV 的总线系统.而且选择 CAN 来构建 AUV 内部通讯系统在国内外也已经有了许多成功的先例.另一方面,支持 CAN 协议的电机控制器,数据采集器,传感器等的相继推出,极大地扩展了 CAN总线的应用范围,使 CAN 总线在 AUV 中的应用也更加方便 .在早期 CAN2.0A 协议的基础上做了部分功能扩充而发展起来的 CAN2.0B 协议,也就是 PeliCAN 协议,使 CAN 总线的功能更加强大,运用也更加灵恬.支持多达 29 位
9、报文标志符的新特性使我们能够对报文的标志符进行分段处理,使标志符的作用在整个通讯过程中得到加强.因此,在总线系统的设计中采用了 PeliCAN 协议.1.2 总线结构针对 AUV 在容错能力和可靠性方面的较高要求,整个系第 2 期朱健,等:基于 PeliCAN 协议的 AUV 总线系统设计?245?统采用总线冗余结构.核心部分由头至尾依次为:头部 (避碰声纳),前垂推,综合管理中心(包括主控计算机,自动驾驶仪,深度传感器,GPS 系统等), 动力供电系统,后垂推,后仓部分(主推进器和舵机).监测记录系统在 AUV 正常工作情况下负责监测并记录总线上的所有数据传输,当监测到主控计算机发生故障时,
10、则自动将其替代,保证 AUV 正常的数据传输不受影响3. 整体结构为开放式设计,每个节点下均可挂接数量不等的各型传感器以满足不同的任务需要,并可根据需要增加节点个数.具体结构如图 1 所示.线路出现故障时可以马上切换到备用线路,从而满足总线的冗余设计.2 系统工作流程系统在水中作业过程中主要包括两种运行状态,即正常运行状态和故障处理状态,具体的工作流程如图 2,图 3 所示.首先由后段 RS 一 232 接口装载预先设定的航行指令,下潜到设定深度后由自动驾驶仪根据设定的航线操纵 AUV 以低速 4 节(续航时间 6070 小时) 或高速 8 节(续航时间 1511“f图 1AUV 系统总体结构
11、图1.3 硬件选择本系统中优先选择各种支持 CAN 的设备;对于非 CAN标准的设备,则使用目前已经比较成熟的各种智能接口转换器(如 CAN 到 Rs 一 232/RS485 等),连接到总线上每个CAN 接口均采用双控制芯片,型号为飞利浦公司出品的SJAlOOO.两个控制器分别与标准和备用总线相连接,标准障状态启推停,垂推启动上2O 小时)的定航速运行.当到达设定巡航时间时,主控计算机将关闭主推进器,启动艇首尾两部垂直推进器使 AUV 浮出水面,以 GPS 定位信号对导航系统误差进行校正,并启动电传机与指挥中心完成无线电数据传输,完成后重新下潜,以修正后的航线操纵 AUV进入下一阶段的巡航.
12、在水下,主控计算机随时接收深度传感器和艇首避碰声纳传输的数据,控制垂直推进器完成 AUV 规避障碍的上浮与下潜动作,当系统发生严重故障时立即控制系统进入故障处理程序,关闭主推进器并使艇体浮出水面,完成 GPS 定位之后,向基地发出报警信号和自身方位信息,以设定时间重复定位和报警程序,等待回收.监测记录系统实际上就是一部备用主机,在 AUV 正常工作情况下只负责记录总线上的所有数据传输并对系统进行监控;当监测到主机发生严重故障无法恢复时,立即接替它以维持 AUV 总线系统的正常运转5.3 软件设计针对整个总线系统的开放性要求,AUV 软件程序的设计采用模块化处理,各节点软件可分为三大模块:CAN
13、 端口设置模块,报文发送模块和报文接收模块.由 CAN 端口设置模块完成包括设置接收标志寄存器和接收屏蔽寄存器在内的节点接口初始化;报文发送模块负责将来自传感器等设备的数据进行协议分析处理,打包成符合 CAN 协议的数据帧发送到总线上;而由总线上接收到的报文则交由报文接收模块分解后再转发给挂接在该节点上的相应设备.3.1 扩展的报文标志符CAN 总线协议相对于其他现场总线技术而言最大的特点就是不设置节点地址,节点依靠报文滤波确定是否对总线上传输的报文做出反应但节点地址也有它的自身优势,因此我们将两者结合起来以增强 CAN 标志符的功能 PeilCAN 协议相对于标准 CAN 而言,最大的功能扩
14、充就是其支持的节点标志符由 11 位提高到了 29 位,使得对 CAN 协议的应用更加灵活,也为我们对标志符功能的扩充提供了技术支持同时,这也是本系统选择 PeliCAN 协议的原因之一.具体的标志符位设置接收,定雠向 l 如图 4 所示.传机启动报警=二孽特时间童图 2AUV 正常工作流程图 3AUV 故障处理流程优先级位接收 ID 位广播位子设备位分段控制位ID2sID2eID25ID16ID15IDID7ID2ID0图 4 节点 ID 功能设定图ID.biD.为优先级位,提供 8 级强制优先级;IDzsID共 1O 位,对应系统 1O 个节点的接收标志位,节点通过对该段标志符的识别完成对
15、报文的滤波;广播位提供总线广播报文功中华测控网.c“?246?计算机测量与控制第 2 期能;lib.miD,为子设备位,也就是子设备地址,每个节点下可挂接数个不同的传感器等设备,我们为每个设备设置一个唯一的设备号,节点可通过对子设备段识别来确定该条报文最终的接收目标;IDID3 位保留 ;最后 3 位为分段控制位,当需要传输的数据较大时,可通过对该段的编辑满足最多 8 帧的连续报文传输.通过在标志符中加入子设备地址设定,一个传感器(或是其他设备)就可根据需要安装在任意的节点上而不受系统结构的限制.这就极大地加强了系统开放性,对 AUV 的使用也就变得更加灵活.3.2 节点接收滤波设置 L,为实
16、现 CAN 报文在总线上的任意收发,方法就是设置节点接收标志寄存器和接收屏蔽寄存器,其中主要是设置接收标志位和广播位.两个寄存器大小同为 4 个字节,即 32 位二进制数,对应报文标志符的是前 29 位.以前两个节点为例,节点 1 的接收标志寄存器对应于报文接收标志位的第一位(ACRzs)设 0,其余位(ACR2ACR.)设 1;相应的接收屏蔽寄存器对应第一位(AMR28)也设 0,其余位(AMR27AMR1g)设 1(表示屏蔽). 具体值为 :(ACR28ACR19)一 0111111111(AMR2BAMR19) 一 0111111111节点 2 的接收标志寄存器对应于报文接收标志位的前两
17、位(ACR28ACRz7)设 0,其余位(ACR28ACR19)设 1;相应的接收屏蔽寄存器对应第二位(AMR2)设 0,其余位(AMR28,AMR26AMR19)设 1.具体值为:(ACRz8ACRt9)=0011111111(AMR28AMR1 口) 一 10111,111l1节点 3 及以后各节点的接收标志寄存器设为 0 的位依次增加,丽接收屏蔽寄存器则应将相应位(例如节点 8,就是第 8位)设为 0,其他位设为屏蔽.所有节点的接收屏蔽寄存器对应报文广播位的相应位(AMR)设为 0,其余位全部设为屏蔽.接收标志寄存器的对应位(ACR18)设为 1,其余位(ACR31ACR2 口,ACRI
18、7ACRo)没有限制,可全部设为 0.这样设置就保证了不会出现报文标志符全零的情况3.3 数据通讯发送数据时,报文 ID 接收标志位段的设置原则为:需要某个节点接收,就设置相应的 ID 位为 0,其余位为 1.例如,报文要发给节点 4 和节点 7,则(ID25ID16)一 1110110111通过一段逐位判断程序即可将其完全确定,以这个标志符发送的报文就只有节点 4 和节点 7 能够接收到.若发送的是广播报文,则将接收标志符段设为全 0.把确定好的接收标志位与优先级位,子设备位等相结合,就构成了完整的报文标志符.将它与欲发送的数据打包而成标准的 CAN 数据帧,即可传至总线上,完成数据发送.接
19、收数据时则相反,通过报文滤波的设置,节点根据报文标志符接收标志位段判断是否为发送给自己的信息帧,是则接收.不是就滤除.再根据子设备位段确定该节点下最终的设备.来完成对该条报文的接收】.中华测控网4 总结当前 AUV 正向着专业化,远程化,智能化的方向发展.本文针对远航程 AUV 功能和工作环境,结合系统部件的功能特点和信息传输特点,确定了基于 PeliCAN 协议的 AUV 开放式总线系统的体系结构和信息传输与管理方法,并在实验室采用多台计算机分别模拟 AUV 主要部件,对 AUV 进行性能评估,样机研发和实验测试.目前已研发一些支持开放式综合信息传输协议的 AUV 接口部件,如电机驱动部件,
20、水深传感器部件等,并逐步开始在低速远航程 AUV 上进行试验研究.参考文献:1彭学伦.水下机器人的研究现状与发展趋势J.机器人技术与应用,2004,(4):4347.2黄时俭,刘健 ,王国权.AUV 内部通讯总线设计J.机器人,2004,26(4)l342345.3欧阳春,梁述海 .船舶动力装置监控系统 CAN 总线的设计J.海军工程大学,2001,13(6):86 89,4韩炬,柯进 ,金江.一种 CAN 总线冗余方法J.电子工艺技术,19(4):155156.5ChangLK,HoKM,LeeLS,eta1.IEEE1451basedsmartmoduleforInvehiclenetwo
21、rkingsystemsofintelligentvehiclesA.IECONProceedings(IndustrialElectronicsConferenceC.2003,2l17961801.6KlausJ,AnneroseB.ApplicationofindustrialCANbustechnologyforLEOsatellitesA.The2ndIAAInternationalSymposiumonSmallSatellitesforEarthObservationC.Berlin,1999.7谢礼忠,张慧慧 ,等.基于 CAN 总线的角膜手术机器人控制系统的设计J.计算机测量
22、与控制,2004,12(II)10551057,1102.Is邬宽明.CAN 总线系统设计中的几个问题J.电子技术应用,1998,(9)l1820.9饶运涛,等 .现场总线 CAN 原理与应用技术M.北京航空航天大学出版社,2003.1oAdvantechCANCardDriverManualEB/OL.20032004,AdvantechCo.,Ltd.NI 新春限时特惠购买 LabVIEW,荻超值大礼戋国国家仪器中国有限公司推出两项新春限时特惠活动,在2006 年 1 月 12 日至 2006 年 4 月 30 日的时间段里,只要购买 NI旗舰产品 LabVIEW 软件或开发者套件,即可获
23、得超值大礼.具体活动条款如下;活动 1:凡在活动期间签订合同购买 LabVIEW8 中文文档专业版或开发者套件的指定版本,即可获得 AppleiPodnano.活动 2z 凡在活动期间签订合同购买三套或更多 LabVIEw8中文文档专业版或开发者套件的指定版本,即可免费荻赠两套相同软件!附 t 此次活动中 NI 指定的开发者套件版本包括.DeveloperSuiteProfessiona1;DeveloperSuiteStandardTest;DeveloperSuiteProfessiona1Test;DeveloperSuiteStandardControlDeveloperSuiteProfessiona1Contro1本次特惠活动期间,以上两项优惠条款不能同时享有,且均不能与 NI 公司的其他优惠活动同时享有 NI 将在客户在收到货物的同时或一周以后发放礼物.
