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基于总线冗余的水下机器人分布式通信系统设计

作　者: 邱小军
导　师: 李建勋
学　校: 上海交通大学
专　业: 控制工程
关键词: 水下机器人 CAN总线冗余分布式系统 PC/104 VxWorks实时操作系统
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着对海洋科学研究的深入与对海洋资源探索需要,浅水水下机器人(ROV)技术的发展已经不能满足对海洋探测能力的要求,深水ROV(Remotely Operated Underwater Vehicle)技术的发展就显得越来越重要,而通信系统的设计作为深水ROV的关键技术之一,在整个ROV系统中起着关键作用。深水ROV对通信系统要求在水下复杂环境中具有很高的可靠性和稳定性,同时对数据要有很强的实时性。本文针对深水ROV通信系统进行了研究,设计了基于双CAN总线冗余的水下机器人分布式通信系统。意义在于通过对深水ROV通信系统的研究,验证其在深水环境下的性能,为实现水下机器人的AUV(Autonomous Underwater Vehicle)模式提供参考。最终的实验结果表明,通信系统达到了稳定性和可靠性要求,并在数据上具有很强的实时性。本文的具体工作过程如下:首先,深水ROV通信系统由自治单元、姿态与推进单元、导航单元、监控单元以及水面控制单元组成,结构上采用了分布式通信方式。其次,比较了水下机器人通信系统中常用的RS232、RS485和CAN三种总线之间的优缺点,确定了选用CAN总线来组建底层网络的通信方案。同时确定了RS232作为水面控制台和水下通信单元的通信方案。并根据通信系统的实时性要求,同时考虑到数据包的传输量以及数据包的解析难度,设计了水面控制台与水下单元之间的RS232通信协议以及底层CAN总线网络的应用层协议。再次,设计了双CAN总线的硬件平台。在硬件结构上,分析了ARM和x86平台的优缺点,采用了基于ARM的硬件平台来实现双CAN总线冗余。ARM体系结构降低了系统功耗,避免了因散热问题导致系统不稳定,同时简化了通信系统的电源设计。本文设计的硬件平台PC/104通信管理板卡与一般的PC/104通信扩展板不同,主要是带有一个ARM处理器,扩展功能的实现不需要主板来控制,同时可以在不需要主板干预的情况下自主管理ROV系统的通信和双CAN冗余策略的实现,从而可以减轻主板的任务量,有利于系统的模块化。采用PC/104接口来实现主板对通信管理板的访问,提高了系统的扩展性。软件上,双CAN总线冗余策略的实现主要解决的是总线故障的检测以及总线的自动切换问题。本文通过对CAN总线主节点和分节点分别进行不同的设置和总线中断接收处理来实现故障的检测和切换。最后,根据深水ROV对实时性要求,采用了VxWorks实时操作系统作为通信系统的运行环境,实现了VxWorks操作系统在ARM平台上的移植,并在其集成开发环境Tornado平台下完成了通信系统软件的设计,同时利用了Tornado开发平台自身的分析工具对通信系统进行了性能分析。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章绪论  11-18
  1.1 引言  11
  1.2 水下机器人发展概况  11-15
    1.2.1 水下机器人的分类  11-12
    1.2.2 国内外发展现状  12-15
  1.3 分布式控制技术  15
  1.4 课题研究的背景和意义  15-16
  1.5 本文研究的内容  16-18
第二章水下机器人通信系统设计  18-30
  2.1 通信系统结构  18-20
  2.2 通信方案的选择  20-24
    2.2.1 RS-232 总线  21
    2.2.2 RS-485 总线  21-22
    2.2.3 CAN 总线技术和特点  22-24
  2.3 通信协议的设计  24-29
    2.3.1 CAN 总线协议  24-27
    2.3.2 水面控制台与节点通信协议  27
    2.3.3 节点之间的通信协议  27-29
  2.4 本章小结  29-30
第三章 CAN 总线冗余硬件平台设计  30-51
  3.1 CAN 总线冗余方法  30-32
    3.1.1 CAN 总线驱动器的冗余  30-31
    3.1.2 CAN 总线控制器的冗余  31-32
    3.1.3 全系统的冗余  32
  3.2 处理器的选型  32-34
    3.2.1 ARM 和X86 比较  32-33
    3.2.2 ARM 的优势  33-34
  3.3 最小系统硬件设计  34-38
    3.3.1 最小系统结构  34-35
    3.3.2 电源电路设计  35
    3.3.3 时钟电路设计  35-36
    3.3.4 复位电路设计  36
    3.3.5 存储电路设计  36-38
  3.4 双CAN 总线冗余设计  38-43
    3.4.1 CAN 总线硬件设计  38-40
    3.4.2 CAN 总线接口软件设计  40-41
    3.4.3 双CAN 冗余切换设计  41-43
  3.5 PC/104 接口设计  43-50
    3.5.1 PC/104 总线规范  43-45
    3.5.2 PC/104 接口硬件设计  45-48
    3.5.3 PC/104 接口控制器实现  48-50
  3.6 本章小结  50-51
第四章通信系统软件设计  51-70
  4.1 VXWORKS 系统移植  51-62
    4.1.1 VxWorks 操作系统  51-53
    4.1.2 AT91RM9200 的启动方式  53-54
    4.1.3 VxWorks 启动流程  54-58
    4.1.4 VxWorks BSP 移植  58-60
    4.1.5 时钟驱动  60
    4.1.6 串口驱动  60-61
    4.1.7 网络驱动  61-62
  4.2 通信单元软件设计  62-68
    4.2.1 自治单元软件设计  62-65
    4.2.2 姿态与推进单元软件设计  65-68
    4.2.3 监控单元软件设计  68
    4.2.4 导航单元软件设计  68
  4.3 本章小结  68-70
第五章系统调试与结论  70-80
  5.1 VXWORKS 开发环境的搭建  70
  5.2 通信系统功能测试  70-79
    5.2.1 VxWorks 启动测试  70-72
    5.2.2 自治单元通信测试  72-75
    5.2.3 姿态与推进单元通信测试  75-76
    5.2.4 监控与导航单元通信测试  76
    5.2.5 通信系统联调测试  76-78
    5.2.6 CAN 总线自动切换测试  78-79
  5.3 本章小结  79-80
第六章总结与展望  80-82
  6.1 全文总结  80-81
  6.2 研究展望  81-82
参考文献  82-87
致谢  87-88
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  88-90

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