20kg級(jí)自主水下機(jī)器人控制軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了用于對(duì)20 kg級(jí)便攜式AUV的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制的軟件設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)。該軟件是基于MFC對(duì)話框運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)下的程序，使用了多線程編程技術(shù)和串口通信技術(shù)。串口操作線程用于向串口讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，并且在處理后把最終結(jié)果發(fā)送給主線程和導(dǎo)航線程。在主線程中將數(shù)據(jù)顯示到界面上，在導(dǎo)航線程根據(jù)導(dǎo)航算法計(jì)算出用于導(dǎo)航的數(shù)據(jù)并寫(xiě)入串口以控制AUV的運(yùn)行狀態(tài)，包括AUV上浮、下潛、前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該軟件達(dá)到了預(yù)定效果。
關(guān)鍵詞：便攜式AUV；多線程；串口通信；MFC

0 引言
自主式水下機(jī)器人(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)代表著未來(lái)水下機(jī)器人的發(fā)展方向，因而是世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。而便攜式AUV由于使用方便，可執(zhí)行環(huán)境評(píng)估、水文地理、輔助水道測(cè)量、港口安全、巖屑區(qū)域繪圖等工作以及可以用在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)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(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)，該軟件主要用于監(jiān)視AUV在水下運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)信息以及控制AUV的運(yùn)行。AUV在水下運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)信息包括位置信息、航向、艙內(nèi)溫濕度、推進(jìn)器轉(zhuǎn)速、舵的方向角以及在水面時(shí)GPS傳感器數(shù)據(jù)等信息，該軟件將這些信息顯示到界面上最終實(shí)現(xiàn)對(duì)AUV的監(jiān)控和導(dǎo)航。

1 便攜式AUV系統(tǒng)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(tǒng)，后艙安置了AUV推進(jìn)器以及方向舵的控制系統(tǒng)。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(yùn)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(tǒng)搭載了AHRS、數(shù)字羅盤(pán)、GPS等傳感器，這些傳感器采集到的數(shù)據(jù)用于AUV的導(dǎo)航。AHRS傳感器用來(lái)測(cè)量AUV的航向角、俯仰角、橫滾角、3個(gè)方向的速度、加速度；數(shù)字羅盤(pán)測(cè)量AUV的航向角等信息控制軟件對(duì)一串口進(jìn)行操作，該串口連接與AUV進(jìn)行通信的無(wú)線模塊。將從無(wú)線模塊接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)慣性導(dǎo)航算法處理，根據(jù)協(xié)議將慣性導(dǎo)航算法處理結(jié)果發(fā)送到AUV，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)AUV的控制。

2 串口通信
串口在做文件處理時(shí)，簡(jiǎn)單的應(yīng)用可以采用查詢方式或定時(shí)方式，復(fù)雜的可以采用事件驅(qū)動(dòng)的方式。所謂事件驅(qū)動(dòng)，即當(dāng)串口有數(shù)據(jù)進(jìn)入輸入緩沖區(qū)時(shí)，自動(dòng)執(zhí)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(shù)據(jù)寫(xiě)入到輸出緩沖區(qū)寫(xiě)函數(shù)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(shù)馬上返回，寫(xiě)操作在后臺(tái)繼續(xù)進(jìn)行，寫(xiě)操作完成后通過(guò)某種方式通知調(diào)用寫(xiě)操作的線程。這樣避免了主線程被掛起，提高了程序的工作效率。
2．1 串口通信設(shè)置
在實(shí)現(xiàn)串口通信時(shí)，首先在界面上設(shè)置串口號(hào)、波特率、校驗(yàn)等信息。單擊按鈕打開(kāi)串口，進(jìn)入命令響應(yīng)函數(shù)OnBtnOpen()，利用API函數(shù)打開(kāi)并對(duì)串口進(jìn)行配置。最后使用API函數(shù)CreateThread創(chuàng)建一個(gè)線程。由于軟件工作過(guò)程中需要傳送的數(shù)據(jù)量不大，所以僅僅打開(kāi)一個(gè)串口。
主線程打開(kāi)串口具體流程圖如圖1所示。

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