pc104与vxworks在深海rov控制系统的应用.pdf

第3 2 卷第4 期 2 0 1 3 年8 月 声学技术 t e c h n i c a l a e o u s t i c s v 0 1 3 2 ，n o 4p t 2 a u g ，2 0 1 3 p c i 0 4 与v x w o r k s 在深海r o v 控制系统的应用 李翔宇1 ，刘卫东1 2 ，岳丽娜3 ( 1 西北工业大学航海学院，陕西西安7 1 0 0 7 2 ； 2 水下信息处理与控制国家重点实验室，陕西西安7 1 0 0 7 5 3 中国船舶科学研究中心深海空间站科室，无锡2 1 4 0 0 0 ) 蔫蔓：本文提出一种以p c i 0 4 微处理器为硬件平台，v x w o r k s 操作系统为软件平台设计的r o v 控制系统，介 绍了控制系统的总体结构设计，硬件架构，并给出了系统软件和应用软件设计方案。采用此嵌入式平台设计的控 制系统能大大提高r o v 的控制精度和稳定性，在深海r o v 具有良好的应用前景。 关键字：r o v ；嵌入式系统；控制系统；p c i 0 4 ；v x w o r k s 中圈分类号：t p 3 9 1 9文t 标识码：a a p p l i e a t i o no fp c 10 4a n dv x w o r k si i ld e e p s e ar o vc o n t r o ls y s t e m l ix i a n g y u l ”l 1 uw e i - d o n g i zy u el i - n a s f i c o l l e g eo f m a r i n e , n o n h w e s t e r np o l y t e c h n i c a lu n i v e m i 钐珞1 锄7 1 0 0 7 2 ，c h i n a 2 k e y l a b o f n a t i o n a l t e c h o f u t d e r w a t e r i n f o r m a t i o n p t o c e a n d c o n t r 0 1 m “ t i n7 1 0 0 7 5 , c h i n a 3 d e e p - s e as p a c es t a t i o no f f i c e , c h i n as h i ps c i e n t i f i cr e s e a r c hc e n t e r , w u x i , 2 1 4 0 0 0 , c h i n a ) a b s t r a c t ：t h i sp a p e rp r e s e n t sar o vc o n t r o ls y s t e md e s i g n e do bp c i 0 4m i c r o p r o c e s s o r 勰i t sh a r d w a r ep l a t f o r ma n d v x w o r k so p e r a t i n gs y s t e ma si t ss o f t w a r ep l a t f o r m a n di n t r o d u c et h eo v e r a l ls m a c t u r eo ft h ec o n t r o ls y s t e m , h a r d w a r e a r c h i t e c t u r e ，a n dt h ed e s i g no fs y s t e ms o f t w a r ea n da p p l i c a t i o ns o f t w a r e t h ec o n t r o ls y s t e md e s i g n e do i lt h i se m b e d d e d p l a t f o r mc a l lg r e a t l yi m p r o v et h ec o n t r o la c c u r a c ya n ds t a b i l i t yo fr o v ，a n dh a sag o o dp r o s p e c ti nt h ed e e p s e ar o v k e yw o r d s ：r o v ；e m b e d d e ds y s t e m ；c o n t r o ls y s t e m ；p c i 0 4 ；v x w o r k s 1 引言 随着我国对海洋资源的逐步开发利用，水下机 器人( r e m o t eo p e r a t e dv e h i c l e ) l 园其安全、高效、作 业深度大、能在水下长时间工作而日益成为开发海 洋资源的重要工具。 性能可靠的控制系统是r o v 完成指定任务的 前提和保障，其控制精度和稳定性直接关系到r o v 的整体性能。针对r o v 控制系统实时性强、控制 精度高、可靠性强的要求，本文提出一种以p c i 0 4 和v x w o r k s 为嵌入式平台设计的控制系统。p c i 0 4 是一种应用广泛的硬件平台，具有可扩展功能强、 稳定性高、可靠性好的优点。v x w o r k s 是一款高效、 稳定、强实时性的多任务操作系统，特别适用于多 任务通讯、多数据采集、高实时性和可靠性的场合 t - 2 l 。本文分硬件层设计，系统软件层设计，应用软 件层设计三个方面具体阐述控制系统的设计思路。 2r o v 控制系统总体结构 牧一日期：2 0 1 3 - 0 6 - 0 6 ；謦目日期：2 0 1 3 - 0 6 1 4 鼍盒褒目：水下信息处理及控制国家重点实验室项目( 9 1 4 0 c 2 3 0 5 0 6 0 9 ) 作者筲介：李翔宇( 1 9 9 0 - - ) ，男，安徽黄山人，硕士研究生，研究方 向为计算机控制，水下导航； j 谋作者：李翔宇，5 6 3 5 6 8 6 2 9 ( 盈, q q e o m r o v 控制系统硬件平台采用的是基于p c i 0 4 总线的可扩展c p u 模块，软件平台采用的是 v x w o r k s 实时嵌入式操作系统。图2 1 为r o v 控 制系统的总体结构设计框图。r o v 采用上下分布式 结构设计1 3 j ，控制系统软件通过嵌入式技术植入 r o v 内部，操作人员只需通过上位机操作界面对 r o v 进行控制，控制指令通过t c p i p 协议传至 r o v ，r o v 航控软件通过解算执行相应的控制指 令，实现水下机器人嵌入式系统完全自主运行。 上位机监控系统 ： 水下机器人本体 图2 - 1r o v 控毹系统结构框架 f i g 2 一ir o vc o n t r o ls y s t e ma r c h i t e c t u r ef r a m e w o r k 声学技术 3r o v 控制系统硬件设计 r o v 配置有罗经、高度计、深度计、多普勒仪 4 种导航传感器，还安装有云台、推进器、摄像机、 l e d 灯等外接装置。图3 1 是水下机器人的多板嵌 入式控制系统硬件结构图 4 】，它采用基于p c i 0 4 总 线的可扩展嵌入式硬件平台，安装有c p u 主板模 块、d a 转换板模块、f o 扩展模块、扩展串口模 块，以及一个提供5 伏电压的电源模块。各模块之 间通过p c i 0 4 总线通信。处理器模块采用盛博公司 s c m s p t 2 b 型号c p u ，它在板集成了1 0 1 0 0 b a s e t 以太网接口及高性能串口。采用x 8 6 兼容的6 4 位 第六代处理器，最高运行速度可达3 0 0 m h z 。同时 具有丰富的系统与应用外设的标准接口。具有高性 能、低功耗、小体积等优点，能大大提高嵌入式系 统的运算速率和稳定性。 图3 - 1r o v 控制系统嵌入式硬件结构图 f i g 3 1r o vc o n 廿o ls y s t e me m b e d d e dh a 目击w a f ts t r u c t u r ed i a g r a m d a 转换模块采用基于p c i 0 4 的a d t 3 0 0 型号 扩展板，其主要功能是实现推进器和l e d 灯的模 拟量输出。通过p c i 0 4 总线将其与p c i 0 4 嵌入式 系统构成一个高性能的数据采集与控制系统，保证 控制指令及时传输至执行机构。 i o 扩展模块采用i r 4 0 型号板卡，主要用于 r o v 本体上各设备的开关量输出和漏水报警信号 输入。 串口扩展板采用基于p c i 0 4 总线的8 通道串口 板m s p - 4 - x 。它集成了四个异步串行通信接口，允 许中断共享。用于r o v 运动传感器数据采集。 4v x w o r k s 操作系统映像设计 基于p c i 0 4 总线设备的v x w o r k s 操作系统映 像开发主要工作有3 个方面： ( 1 ) 板载支持包设计与开发v x w o r k s ：要使得 v x w o r k s 操作系统能够在以p o w e r p c 8 6 0 ( c p u ) 为核心的硬件系统上正常运行，也就是进行操作系 统移植，必须首先编写v x w o r k s 板级支持包b s p 。 b s p 提供了v x w o r k s 同硬件环境的基本接口界面， 并在上电时进行硬件初始化( 包括中断向量的初始 化、定时器初始化、核心内存映象的加载等) ，支持 v x w o r k s 对硬件驱动的访问，将v x w o r k s 中软件集 成到一体【5 j 。主要修改文件包括r o m i n i t s 、c o n f i g h 、 c o n f i g a l l h 、s y s l i b c 以及m a k e f i l e 文件等。 ( 2 ) 相关外围硬件设备驱动程序：针对某一具体 应用场合所用到的一些菲标准的硬件设备，需结合 设备提供商的说明书自行开发相应的外设驱动程 序。 ( 3 ) 操作系统映像配置与生成：按照实际应用需 求对v x w o r k s 操作系统各个功能模块进行裁剪与 配置，使其在满足功能需求的条件下达到代码量最 小，同时也减少出错的可能性。最后裁剪所得 v x w o r k s 操作系统映像应当包含内核、i o 系统、 p o s i x 标准接口、网络接口、文件系统等组件。 v x w o r k s 操作系统映像开发完毕后，利用硬盘 和d o s 操作系统将映像安装至嵌入式c p u 模块 中。c p u 模块上电后，系统跳到安装地址的r a m 首地址运行v x w o r k s 操作系统，基本运行流程如图 4 1 所示西1 。 r o m l n i t s 中酌l b o o t l n i t c 中的l s y s a l i b s 中的 r o m l n i t t )r o m s t a r t t )s v s l n i t ( ) l e h t t ohs y s h w l n i t 0h “气怒紫的 0 l 洲，h 毪畿箬 图4 - 1v x w o r k s 操作系统启动流程 f i g 垂io p e r a t i n gs y s t e mb o o t t a x , t e s so fv x w o r k s u s r r o o t 0 是v x w o r k s 启动的第一个任务，主要 任务有系统时钟初始化、f o 系统和设备驱动初始 化、网络初始化等。至此，v x w o r k s 操作系统就完 全移植到了p c i 0 4 硬件平台上。 5 r o v 控制系统软件设计 5 1r o v 控制系统软件框架 水下机器人控制系统软件基于模块化设计，将 系统的不同功能通过模块的形式实现，模块对应于 系统内的不同任务，通过v x w o r k s 良好的任务间通 信机制，实现多任务的实时有序调度。结构上主要 包括系统主程序模块、导航控制模块、传感器( 深 度计、高度计、罗经、d v l ) 数据采集模块、网络 通讯模块、模拟量( 推进器和l e d 灯的控制信号) 输出和开关量输出模块，图5 1 为水下机器人导航 第4 期李翔宇等：p c i 0 4 与v x w o r k s 在深海r o v 控制系统中的应用 系统软件结构图和各软件模块间数据流向。 图5 - 1r o v 控制系统软件结构图 f i g 5 - 1r o vc o n t r o ls y s t e ms o f 1 9 a f es t r u c t u r ed i a 娜 当r o v 上电启动后，控制系统软件同时启动， 程序算法流程图如图5 2 所示。进行初始化后主要 执行任务可分为两个进程：进程1 用于接收上位机 各类控制指令并完成对r o v 的控制；进程2 用于 采集传感器信息以及r o v 运行状态信息并向r o v 发送数据。 圈5 _ 2r o v 控制系统应用软件流程图 f 谵5 _ 2r o vc o n t r o ls y s t e ma p p l i c a f i o n $ o t r w a r ef l o wc h a r t 5 - 2 控制系统多任务划分 v x w o r k s 是基于优先级的抢占式多任务调度的 嵌入式实时操作系统，控制系统在v x w o r k s 下的实 现具体就体现为多个任务的调度，任务的划分在软 件体系结构中显得尤其重要【7 1 。控制系统运行时， 所执行的任务主要分为以下几类： ( 1 ) 主程序模块：实现程序初始化，包括初始化 网络接口、各个串行通信接口、初始化d a 输出与 y o 输出等，调用其他模块函数来实现多进程、多 任务处理。 ( 2 ) 设备控制任务：包括r o v 各设备开关量的 输出、推进器模拟量的输出、l e d 灯光模拟量的输 出等。 ( 3 ) 串口通信任务：r o v 通过串e l 通信获取各 传感器的航行参数，包括航向、俯仰角、横滚角、 航速、高度、深度等状态信息。为保证传感器数据 的实时性，串口通信任务是基于中断共享的。 ( 4 ) 网络通信任务：r o v 本体和上位机采用 t c p f l p 协议进行网络通信。主要包括上位机控制指 令( 如r o v 本体设备上电指令、各推进器的模拟 量输出、定向或定高定深状态的选取等) 的传输， i m v 航行状态参数的回传等。 0 数据区锁定 0 读取罗经数据 0 读取高度计数据 0 读取深度计数据 0 读取d v l 数据 上 数据区解锁 上 数据打包处理 0 以太网数据发送 图5 - 3r o v 航行参数回传流程图 f 塘5 - 3r o vn a v i g a t i o np a r a m e t e r sr e t u r nf l o w 由于各传感器的数据传输速率均比较快，这导 致状态参数回传任务在读取数据时可能出现数据 的丢失。为保证串口所采集数据的完整性，这里利 用v x w o r k s 的信号量机制设计了串口共享数据区 保护机制【8 j 。当定时器启动状态参数回传任务时， 立即锁定串口数据区，此时串口数据区不再存储任 何串口传来的数据，而只保存了当前发送时刻的各 项数据，当发送任务读取完所有当前时刻传感器数 据时，共享数据区才解锁，并继续接收和存储串口 传来的数据。其程序流程图如图5 3 所示。 ( 5 ) 导航控制任务：主要指r o v 在定向、定高 或定深航行条件下的航行控制任务。单个的控制器 任务主要包括传感器参数的处理、p i d 控制器的参 数处理与计算、航行控制量的输出。 以定向控制为例，当系统进入自动定向模式， 系统的航向给定量为进入定向瞬时的航向给定值， 并部再改变，此时航向操纵输出信号无效，系统其 它功能不变，可以实现某一特定航向上前进与后 退、上浮与下潜等运动。 一一一一一一一 一卜卜卜j_2，。 自动定向回路是使r o v 自动保持给定的航向 角，原理如图5 _ 4 。在航向闭环控制回路中引入了 内环反馈即角速度反馈，这将形成两阶控制改善系 统的性能。此时的航向角速率反馈用w o 来表示， 航向角反馈用来表示，航向角给定用表示【9 1 。 倒5 4 茸动定向控制框图 f i g 5 4a u t o m a t i cd i r e c t i o n a lc o n t r o lb l o c kd i a g r a m 5 3多任务调度机制 控制系统的所有任务不仅基于任务优先级运 行，根据各任务相互关系，还需借助信号量进行任 务之间的调度。任务的优先级的确定根据任务的实 时性要求和计算量大小来确定。任务的调度方式在 v x w o r k s 中分为时间片轮循和基于优先级的抢占 方式，这里由于系统中有等同相似的任务，所以两 种方式结合使用【l 们。网络通信任务通过s o c k e t 接 口从网络端口实时接收上位机控制命令，并通过消 息队列向下级任务发送。模拟量输出和开关量输出 采用基于优先级的抢占调度方式，通过优先级的高 低先后执行。4 个传感器数据采集任务的优先级都 较高，它们都从响应的中断得到相应的二进制信号 量后，从串口读取数据，然后请求互斥信号量，写 表5 1 任务优先级和调度表 t a b l e 5 1t a s kp r i o r i t ya n ds c h e d u l e 数据区，4 个任务之间采用基于时间片的轮循调 度。导航控制任务设置了最高的优先级，以保证 r o v 在水下航行姿态的优先调整。优先级设置和 任务间通信方式如表5 1 所示。 6 结束语 本文以p c i 0 4 嵌入式计算机为硬件平台，实时 多任务操作系统v x w o r k s 为软件平台，设计了高 效、稳定的