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和串口通信技術。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，該軟件達到了預定效果。
關鍵詞：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，簡單的應用可以采用查詢方式或定時方式，復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 串口通信設置
    在實現(xiàn)串口通信時，首先在界面上設置串口號、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)[!--empirenews.page--]
2．2 串口通信協(xié)議
    串口通信必須遵守一定的通信協(xié)議，才可實現(xiàn)該控制軟件與AUV的正常通信。串口通信數(shù)據(jù)格式如圖2所示，圖中Data0，Datal，Data2 …代表一個字(2 B)。

    發(fā)送或接收的一幀數(shù)據(jù)最長為19 B，Data0中第1個字節(jié)代表指令(0xA1)、請求(0xB2)或者正常應答(0xC3)等含義；Data0中第2個字節(jié)代表具體指令、請求何種信息或者某種信息的應答。Data1，Data2，…代表發(fā)送或者接收到的數(shù)據(jù)。開關機指令長度為19 B，第19字節(jié)控制8個繼電器，1，0分別表示開、關第零位控制總電源。開機、關機指令前18 B分別是：
    ～A16613579BDF02468ACE13579BDF02468A
    ～A166DF985713CE8A4602DF9B5713CE8A46
    開機指令的第19個字節(jié)根據(jù)需要選擇相應的繼電器開啟或關閉；關閉指令第19個字節(jié)為0x00，所有的繼電器關閉。[!--empirenews.page--]

3 軟件實現(xiàn)
3．1 多線程實現(xiàn)
    一個進程可有多個線程，使用多線程可提高軟件的執(zhí)行效率。該控制軟件共有3個線程組成，包括一個主線程、一個導航線程和在成功打開串口后利用API函數(shù)CreateThread創(chuàng)建的一個串口操作線程(如圖3所示)。

    串口操作線程讀取串口數(shù)據(jù)，并提取有效數(shù)據(jù)，接著利用函數(shù)PostMessage將有效數(shù)據(jù)分別傳送到主線程和導航線程。主線程將有效數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議進行解包并把數(shù)據(jù)包中包含的AHRS、數(shù)字羅盤、GPS等傳感器和推進器、前艙環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)顯示到界面上。當使用搖桿控制AUV的運行時主線程每隔0．5 s從USB接口接收數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成推進器轉(zhuǎn)速以及方向舵的方向角信息，且將這些信息發(fā)送到串口操作線程寫入串口。
    在主線程中創(chuàng)建串口操作線程的代碼如下：
    hThread=CreateThread(NULL，0，ThreadProc，(LPVOID)this，0，NULL)；
    在串口操作線程中將有效數(shù)據(jù)發(fā)送到主線程的代碼如下：
    PostMessage(*pDlg，WM_MYMSGl，
    (WPARAM)buf，(LPARAM)Length)；
3．2 關鍵算法
    由于慣性導航系統(tǒng)提供的位置估計精度會隨時間而漂移，所以導航線程采用基于GPS／INS的組合導航算法，用GPS輔助導航，即用GPS信息輔助修正慣導系統(tǒng)的輸出，包括航向角和速度。對AUV的航向角信息修正是通過經(jīng)典的PID控制算法來實現(xiàn)的，如圖4所示。

    設Ji-1，Ji為AUV的2個節(jié)點，AUV即A點從Ji-1到Ji點運行。設正北方向矢量為，根據(jù)圖5按照下式可計算出角度θ。角度θ計算公式為：[!--empirenews.page--]
    
    在AUV進行Ji-1～Ji段的航行時，AUV根據(jù)導航算法不斷算出坐標并判斷是否到達指定區(qū)域，當離指定區(qū)域為R時(R很小)，即可判定到達指定區(qū)域。在到達指定區(qū)域之前不斷利用AUV PID航向角閉環(huán)控制算法修正航向角θ，最終實現(xiàn)AUV的GPS／INS組合導航。

4 控制軟件界面及實驗結(jié)果
4．1 軟件界面
    本文設計的軟件界面左側(cè)上半部分和右側(cè)主要實現(xiàn)對AUV的控制，界面左側(cè)中下部分的3個儀表盤和TAB頁控件顯示AUV的各個狀態(tài)信息。
    單擊開機、關機按鈕將實現(xiàn)AUV的開啟與關閉；單擊詢問AUV按鈕，此時應答情況為AUV存在，表示監(jiān)控軟件與AUV的通信正常，否則應該檢查無線模塊和AUV。單擊前艙參數(shù)、GPS經(jīng)緯度、GPS時間、推進器狀態(tài)、AUV航向角等按鈕將持續(xù)獲得AUV相應的信息；步進電機控制按鈕用于實現(xiàn)方向舵的調(diào)整，進而實現(xiàn)AUV方向的調(diào)整。為了防止步進電機失步，這里還特意設計了步進電機的微調(diào)按鈕，目的是在步進電機失步時將方向舵調(diào)整回原位置。
    該控制軟件還以儀表盤的方式顯示推進轉(zhuǎn)速、羅盤、溫、濕度等信息。
    以速度儀表盤為例，當從串口接收到的數(shù)據(jù)中提取出水平推進器或垂直推進器速度信息時，將速度信息存放到成員變量m_Spd1或者m_Spd 2。利用API函數(shù)得到控件IDC_STATIC_SPD的區(qū)域坐標rect2，調(diào)用API函數(shù)InvalidateRect(＆rect2)重繪，將進入函數(shù)CDspsockDlg：OnPaint()重繪。利用MFC中的函數(shù)Pie，Ellipse，SetBkColor，TextOut畫出儀表盤背景。最后通過下列兩個公式將速度值轉(zhuǎn)換成對話框上的坐標值，調(diào)用函數(shù)畫一條連接該區(qū)域中心位置到該點(a1，b1)的直線，最終實現(xiàn)儀表指針隨速度值的變化。坐標(a1，b1)計算公式如下：
    b1=60sin((m_Spd1×3／25+150)π／180)
    a1=60cos((m_Spd1×3／25+150)π／180)
4．2 實驗結(jié)果
    軟件運行期間界面顯示如下。圖6顯示了溫、濕度分別是32°，51．5°；單擊復位按鈕、溫濕度指針將分別指向-30°，20°位置處；圖6還顯示了2個推進器的速度信息，其中水平推進器速度為1 180 r／min，垂直推進器速度為0．此時AUV在水平方向運動垂直方向靜止。

5 結(jié)語
    介紹了20 kg級便攜式AUV控制軟件的實現(xiàn)，該軟件利用串口通信技術、多線程編程技術在傳輸數(shù)據(jù)量不很大的情況下表現(xiàn)了良好的性能。軟件以穩(wěn)定的性能、友好的界面及簡單的操作方法滿足了對便攜式AUV的監(jiān)視和控制。