20kg級自主水下機器人控制軟件設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：介紹了用于對20 kg級便攜式AUV的運行狀態(tài)進行控制的軟件設(shè)計以及實現(xiàn)。該軟件是基于MFC對話框運行于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)送給主線程和導航線程。在主線程中將數(shù)據(jù)顯示到界面上，在導航線程根據(jù)導航算法計算出用于導航的數(shù)據(jù)并寫入串口以控制AUV的運行狀態(tài)，包括AUV上浮、下潛、前進、后退、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎。實驗結(jié)果表明，該軟件達到了預(yù)定效果。
關(guān)鍵詞：便攜式AUV；多線程；串口通信；MFC

0 引言
自主式水下機器人(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)代表著未來水下機器人的發(fā)展方向，因而是世界各國研究的熱點。而便攜式AUV由于使用方便，可執(zhí)行環(huán)境評估、水文地理、輔助水道測量、港口安全、巖屑區(qū)域繪圖等工作以及可以用在未來戰(zhàn)爭中，將是未來AUV發(fā)展的重點。
本文主要論述了便攜式AUV控制軟件的設(shè)計及其實現(xiàn)，該軟件主要用于監(jiān)視AUV在水下運行時的狀態(tài)信息以及控制AUV的運行。AUV在水下運行時的狀態(tài)信息包括位置信息、航向、艙內(nèi)溫濕度、推進器轉(zhuǎn)速、舵的方向角以及在水面時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現(xiàn)對AUV的監(jiān)控和導航。

1 便攜式AUV系統(tǒng)簡介
該小型AUV由兩個密封艙組成，前艙安置了傳感器系統(tǒng)，后艙安置了AUV推進器以及方向舵的控制系統(tǒng)。兩個密封艙中間放置的一個垂直推進器用來控制AUV的上下運動，后艙安放了用于控制AUV水平方向的水平推進器和方向舵。系統(tǒng)搭載了AHRS、數(shù)字羅盤、GPS等傳感器，這些傳感器采集到的數(shù)據(jù)用于AUV的導航。AHRS傳感器用來測量AUV的航向角、俯仰角、橫滾角、3個方向的速度、加速度；數(shù)字羅盤測量AUV的航向角等信息控制軟件對一串口進行操作，該串口連接與AUV進行通信的無線模塊。將從無線模塊接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過慣性導航算法處理，根據(jù)協(xié)議將慣性導航算法處理結(jié)果發(fā)送到AUV，最終實現(xiàn)對AUV的控制。

2 串口通信
串口在做文件處理時，簡單的應(yīng)用可以采用查詢方式或定時方式，復(fù)雜的可以采用事件驅(qū)動的方式。所謂事件驅(qū)動，即當串口有數(shù)據(jù)進入輸入緩沖區(qū)時，自動執(zhí)行接收程序。利用WinAPI讀／寫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)出寫命令時，直到有數(shù)據(jù)寫入到輸出緩沖區(qū)寫函數(shù)才返回。異步方式的重疊方式是指發(fā)出寫操作命令后，不管寫操作是否完成，寫函數(shù)馬上返回，寫操作在后臺繼續(xù)進行，寫操作完成后通過某種方式通知調(diào)用寫操作的線程。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
在實現(xiàn)串口通信時，首先在界面上設(shè)置串口號、波特率、校驗等信息。單擊按鈕打開串口，進入命令響應(yīng)函數(shù)OnBtnOpen()，利用API函數(shù)打開并對串口進行配置。最后使用API函數(shù)CreateThread創(chuàng)建一個線程。由于軟件工作過程中需要傳送的數(shù)據(jù)量不大，所以僅僅打開一個串口。
主線程打開串口具體流程圖如圖1所示。

在主線程中打開串口的代碼如下：
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)送控制指令時使用：
fState=WriteFile(m_hCom，buf，19，＆m_bytes，＆m_os Write)