20kg級自主水下機器人控制軟件設計與實(shí)現

摘要：介紹了用于對20 kg級便攜式AUV的運行狀態(tài)進(jìn)行控制的軟件設計以及實(shí)現。該軟件是基于MFC對話(huà)框運行于Windows操作系統下的程序，使用了多線(xiàn)程編程技術(shù)和串口通信技術(shù)。串口操作線(xiàn)程用于向串口讀取或寫(xiě)入數據，并且在處理后把最終結果發(fā)送給主線(xiàn)程和導航線(xiàn)程。在主線(xiàn)程中將數據顯示到界面上，在導航線(xiàn)程根據導航算法計算出用于導航的數據并寫(xiě)入串口以控制AUV的運行狀態(tài)，包括AUV上浮、下潛、前進(jìn)、后退、左轉彎、右轉彎。實(shí)驗結果表明，該軟件達到了預定效果。
關(guān)鍵詞：便攜式AUV；多線(xiàn)程；串口通信；MFC

0 引言
自主式水下機器人(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)代表著(zhù)未來(lái)水下機器人的發(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，可執行環(huán)境評估、水文地理、輔助水道測量、港口安全、巖屑區域繪圖等工作以及可以用在未來(lái)戰爭中，將是未來(lái)AUV發(fā)展的重點(diǎn)。
本文主要論述了便攜式AUV控制軟件的設計及其實(shí)現，該軟件主要用于監視AUV在水下運行時(shí)的狀態(tài)信息以及控制AUV的運行。AUV在水下運行時(shí)的狀態(tài)信息包括位置信息、航向、艙內溫濕度、推進(jìn)器轉速、舵的方向角以及在水面時(shí)GPS傳感器數據等信息，該軟件將這些信息顯示到界面上最終實(shí)現對AUV的監控和導航。

1 便攜式AUV系統簡(jiǎn)介
該小型AUV由兩個(gè)密封艙組成，前艙安置了傳感器系統，后艙安置了AUV推進(jìn)器以及方向舵的控制系統。兩個(gè)密封艙中間放置的一個(gè)垂直推進(jìn)器用來(lái)控制AUV的上下運動(dòng)，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。系統搭載了AHRS、數字羅盤(pán)、GPS等傳感器，這些傳感器采集到的數據用于A(yíng)UV的導航。AHRS傳感器用來(lái)測量AUV的航向角、俯仰角、橫滾角、3個(gè)方向的速度、加速度；數字羅盤(pán)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(wú)線(xiàn)模塊。將從無(wú)線(xiàn)模塊接收到的數據經(jīng)過(guò)慣性導航算法處理，根據協(xié)議將慣性導航算法處理結果發(fā)送到AUV，最終實(shí)現對AUV的控制。

2 串口通信
串口在做文件處理時(shí)，簡(jiǎn)單的應用可以采用查詢(xún)方式或定時(shí)方式，復雜的可以采用事件驅動(dòng)的方式。所謂事件驅動(dòng)，即當串口有數據進(jìn)入輸入緩沖區時(shí)，自動(dòng)執行接收程序。利用WinAPI讀／寫(xiě)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(xiě)命令時(shí)，直到有數據寫(xiě)入到輸出緩沖區寫(xiě)函數才返回。異步方式的重疊方式是指發(fā)出寫(xiě)操作命令后，不管寫(xiě)操作是否完成，寫(xiě)函數馬上返回，寫(xiě)操作在后臺繼續進(jìn)行，寫(xiě)操作完成后通過(guò)某種方式通知調用寫(xiě)操作的線(xiàn)程。這樣避免了主線(xiàn)程被掛起，提高了程序的工作效率。
2．1 串口通信設置
在實(shí)現串口通信時(shí)，首先在界面上設置串口號、波特率、校驗等信息。單擊按鈕打開(kāi)串口，進(jìn)入命令響應函數OnBtnOpen()，利用API函數打開(kāi)并對串口進(jìn)行配置。最后使用API函數CreateThread創(chuàng )建一個(gè)線(xiàn)程。由于軟件工作過(guò)程中需要傳送的數據量不大，所以?xún)H僅打開(kāi)一個(gè)串口。
主線(xiàn)程打開(kāi)串口具體流程圖如圖1所示。

在主線(xiàn)程中打開(kāi)串口的代碼如下：
m_hCom=CreateFile(m_port，GENERIC_READ|GENERIC_WRITE，0，NULL，OPEN_EXISTING，FILE_FLAG_OVERLAPPED，NULL)
在串口操作線(xiàn)程中使用API函數ReadFile用于讀取串口數據ReadFile(hCom，buf，19，＆Length，＆Eol)；而在該線(xiàn)程中向AUV發(fā)送控制指令時(shí)使用：
fState=WriteFile(m_hCom，buf，19，＆m_bytes，＆m_os Write)