基于CAN總線(xiàn)的水下機器人執行節點(diǎn)設計與實(shí)現

與傳統的纜控水下航行器(ROV)相比，自主水下航行器(AUV)具有如下特點(diǎn)：(1)環(huán)境適應性強，活動(dòng)范圍大，可沖破人工潛水極限進(jìn)入現場(chǎng)進(jìn)行接近觀(guān)測；(2)體積小，使用方便，便于布放和回收；(3)可根據水聲信號遙控或預置程序控制，按要求進(jìn)行相關(guān)項目觀(guān)測；(4)有自主動(dòng)力，水下運行時(shí)間相對較長(cháng)，有源噪聲低等。

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

圖1所示為本文開(kāi)發(fā)的基于CAN總線(xiàn)的分布式水下機器人控制系統結構。CAN總線(xiàn)具有如下特性：(1)實(shí)時(shí)性高。多主站工作方式，優(yōu)先級高的節點(diǎn)優(yōu)先傳輸數據，數據傳輸率高(1Mbit/s)；(2)檢錯和糾錯機制強。發(fā)送信息損壞自動(dòng)重發(fā)，采用獨特的非破壞總線(xiàn)仲裁技術(shù)，有CRC及其它校驗；(3)連接簡(jiǎn)單，可擴展性強，開(kāi)發(fā)方便。通訊協(xié)議與開(kāi)放系統互連模型OSI一致，應用層協(xié)議可有用戶(hù)自己定義。

圖1　水下機器人控制系統結構

控制系統由各個(gè)功能節點(diǎn)通過(guò)CAN總線(xiàn)連接構成，各節點(diǎn)大部分時(shí)間并行工作，只在必要時(shí)與中央控制節點(diǎn)通訊。其中的執行節點(diǎn)直接控制AUV的現場(chǎng)執行機構，對AUV的功能實(shí)現性起著(zhù)至關(guān)重要的作用。在研究開(kāi)發(fā)的AUV中，執行節點(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。執行部件是一對垂直舵；(3)航行深度控制功能。實(shí)現深度控制與縱傾控制，執行部件是一對水平舵；(4)傳感器模塊的旋轉調平控制功能，實(shí)現部分傳感器位姿調整。其中，(1)為速度伺服控制系統，(2)，(3)，(4)為位置伺服控制系統，均由無(wú)刷直流伺服電機進(jìn)行驅動(dòng)。

執行節點(diǎn)硬件設計

CAN接口設計
節點(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規范，控制CAN幀的接收和發(fā)送；(2)CAN接口包含5個(gè)實(shí)現CPU與CAN控制器連接的特殊功能寄存器。對重要CAN寄存器的訪(fǎng)問(wèn)通過(guò)快速自動(dòng)增加的尋址特性和對特殊功能寄存器的位尋址來(lái)實(shí)現；(3)CAN控制器的發(fā)送緩沖區能夠保存一個(gè)完整的CAN信息幀(擴展或標準幀)，只要通過(guò)CPU啟動(dòng)發(fā)送，信息就從發(fā)送緩沖區傳輸到CAN內核模塊；(4)當接收一個(gè)信息時(shí)，CAN內核模塊將串行數據流轉換成并行數據傳輸到驗收濾波器，通過(guò)此可編程濾波器，P87C591確認接收需要的信息。

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

圖2　CAN總線(xiàn)接口電路

無(wú)刷直流伺服系統構建
根據應用場(chǎng)合，選擇了瑞士Maxon公司的EC系列無(wú)刷直流伺服電機(DCBrushless ServoMotor)，其滿(mǎn)足以下要求：(1)電機重量輕，體積小，這在水下潛器設計中是十分關(guān)心的問(wèn)題，而且轉動(dòng)慣量約可減少50%左右；(2)無(wú)機械換向，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(xiàn)基本為直線(xiàn)，控制性好；(4)有一定的防潮和耐高溫能力。螺旋槳驅動(dòng)和舵驅動(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。

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

圖3表示了一路直流無(wú)刷電機伺服系統。對螺旋槳，驅動(dòng)器設置成速度控制模式，其它設置為位置控制模式。螺旋槳驅動(dòng)電機采用PWM調速方式，其它驅動(dòng)電機都通過(guò)微控制器I/O口輸出脈沖控制。

圖3　無(wú)刷電機伺服控制系統示意圖

電機驅動(dòng)器按要求進(jìn)行合理設置和連接后，與控制器P87C591密切相關(guān)的信號線(xiàn)有兩條：一條控制電機的轉速或位置，一條控制電機的轉向。對螺旋槳控制，將其驅動(dòng)器設置為速度模式，采用PWM調速控制，電機的轉速與PWM的占空比成正比。其它電機控制系統，驅動(dòng)器設置為位置模式，由于這幾個(gè)電機控制系統對電機的轉速要求不高，采用定轉速，這樣脈沖頻率恒定，通過(guò)對P87C591的定時(shí)器編程產(chǎn)生脈沖，另外用控制器的一個(gè)端口控制電機的轉向。

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

執行節點(diǎn)軟件設計

應用層協(xié)議制定
在CAN210規范標準中，為了用戶(hù)使用的靈活性，只對物理層和數據鏈路層進(jìn)行了規定，沒(méi)有定義應用層，這就需要用戶(hù)根據自己需求制定應用層協(xié)議。雖然目前可以使用一些成熟的應用層協(xié)議，如HiLon、CANOpen、DeviceNET和SDS協(xié)議等，但缺乏針對性，因此首先制定CAN應用層協(xié)議。