基于CAN总线的水下自航行器控制器设计与研究

【摘要】： 海洋监测技术是海洋科学研究与海洋资源探索的重要保证。水下自航行器(AUV)是海洋监测仪器的搭载平台,也是获取海洋监测数据的关键装备。本文以自主研制的具有变浮力系统、可以着陆坐底的水下自航行器(AUV with Variable Buoyancy System,简称AUV-VBS)为依托,描述了其控制系统的基本功能和系统控制器的设计要求,详细阐述了系统控制器硬件和软件实现方法,并通过单元实验和系统实验验证了控制器及控制系统的可行性。 本文研究的水下自航行器采用了基于CAN总线的分布式控制系统,文中给出了CAN总线在控制系统中的应用细节,包括接口设计、应用层协议设计和通信软件设计。论文以控制系统执行层的实现为例,详细介绍了水下自航行器的控制器设计与实现。硬件方面,使用集成CAN接口的微处理器,采用了成熟的扩展技术,以提高控制器的可靠性。控制器中设计了专用接口电路,配合电机驱动器控制水下自航行器的推进器和航向部件。设计中采用了高带宽光电隔离器,并自行设计了线性电源转换电路,以提高控制电路的抗干扰能力。软件方面,根据控制器功能需求复杂,片内资源使用较多的情况,针对每个独立功能设计不同的软件模块,每个软件模块通过接口函数提供服务,包括了CAN通信、PID控制、速度和脉冲控制、I2C通信等模块。其中,水下自航行器的航行与姿态控制采用PID算法实现。 为了验证控制器设计的正确性和功能的可靠性,对所设计的控制器进行了硬件和软件方面的试验与改进。在此基础上,对水下自航行器执行层的动部件进行单元试验,验证了控制器具有较好的性能,同时为进一步改进控制器和控制系统提供了试验依据。水下自航行器的水域试验结果表明,由四个相似控制器组成的分布式控制系统性能稳定,工作可靠,对紧急指令响应速度快,能很好的满足水下自航行器对控制系统的各方面要求。