CN107196831A - 一种便携式自主水下航行器的内部通信方法 - Google Patents

一种便携式自主水下航行器的内部通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种便携式自主水下航行器的内部通信方法，采用基于CAN2.0b的总线通信，首先生成报文：根据报文类型设定优先级标志位，为每个节点分配接收节点标志位和发送节点标志位，使用报文编号区分报文，对报文数据进行预处理；然后利用CAN总线发送报文；最后各模块在CAN总线上获取通信报文，并按照生成报文的逆向顺序处理报文信息，以确定收发节点、报文种类、报文编号以及数据场原始数据等信息，从而获得要接收的信息。本发明可以随着AUV整个系统所配置节点的变动，很方便地设置协议的收发节点标志位，满足系统后续开发和改进的可扩展性需求，具有较强的可移植性；采用成熟的CAN总线通信技术，报文利用率较高，传输速率快，具有良好的可靠性和实时性。

Description

一种便携式自主水下航行器的内部通信方法
技术领域
本发明涉及总线通信技术领域，具体为一种便携式自主水下航行器的内部通信方法。
背景技术
自主水下自主航行器(AUV,Autonomous Underwater Vehicle)作为一种水下自主运载工具，依靠自身所携带的能源航行，可完成水下测量、物品投送等任务，作为海洋探索的重要手段，AUV对海洋的开发和利用有着至关重要的作用。由于海洋探索任务的需要，要求AUV这一平台具有多功能、高可靠性、实时性和通用性强等特点，其系统组成和任务的复杂度也越来越高，简单的单CPU(中央处理单元)控制系统由于其难以扩展，可移植性不强，已无法满足需求，相较之下，分布式控制系统有着不可比拟的优势而得到迅速地发展。在分布式控制系统中，应用最广泛的通信方式是总线通信，由于总线通信具有结构简单、网络内节点数目理论上不受限制、可在各节点之间自由通信、传输速率高等特点，可以为各子系统之间提供实时、可靠的通信。而CAN(Controller Area Network)总线是一种应用最广泛的现场总线，在汽车、船舶、工业自动化等领域有着很成熟的应用，为便携式水下航行器内部高效通信提供了有力保障。
目前在便携式水下航行器内部通信中，尚没有采用CAN总线的方法报道，也没有根据便携式水下航行器的具体组成形式对CAN总线通信方式的具体报道。
发明内容
为了充分发挥分布式控制系统和总线通信的优势，本发明提出一种便携式自主水下航行器的内部通信方法，该设计方法能充分满足AUV各模块之间的通信需求，易于实现节点和功能的拓展，具有很强的可扩展性和灵活性；该方法还能够有效地提高通信效率，在满足任务需求的前提下，提高系统的实时性和可靠性。
本发明的技术方案为：
所述一种便携式自主水下航行器的内部通信方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：便携式自主水下航行器的内部通信节点根据通信需求生成报文；
所述内部通信节点包括航行控制微机、供电控制器、电机控制器、舵机控制器、无线通信模块、数据记录微机、安全保险模块；
所述内部通信方法采用CAN2.0b协议，所采用的CAN总线通讯波特率为500kbps；每一帧报文包括4个字节的标识符和8个字节的数据场；采用29位扩展报文标志符D28～D0，其中标志符的高3位D28～D26为优先级，标志位D25～D16为接收节点标志，标志位D15～D12为发送节点标志，标志位D11～D6为保留位，保留位全部置0，标志位D5～D0为报文编号；
步骤2：便携式自主水下航行器的报文发送节点将生成的报文发送到CAN总线上；
步骤3：便携式自主水下航行器的内部通信节点从CAN总线上读取报文，检查标识符中的接收节点标志位D25～D16，当内部通信节点在该报文的接收节点之列时，对报文进行进一步处理：检查标志位D15～D12和D5～D0，确定收到的报文类型；再根据报文定义，对数据场里的数据进行逆向处理，得到传输的原始数据。
进一步的优选方案，所述一种便携式自主水下航行器的内部通信方法，其特征在于：在步骤1生成报文时，通过报文数据场对要传输的数据进行预处理，其中：
供电控制器节点状态报文数据场的有效数据共7字节；第1字节的D5～D0位表示6路电路的供电状态，第2～7字节表示相应6路电路的电流值，每个数值占用1个字节，数值等于实际电流值乘以10再取整；第8字节为保留字节；
电机控制器节点状态报文数据场的有效数据共4字节；第1～2字节表示电机转速，存放1个unsigned int类型的数值，该数值等于真实值加上1000；第3～4字节表示电机电流速，存放1个unsigned int类型的数值，数值等于真实值乘以100再取整；第5～8字节为保留字节；
舵机控制器节点状态报文数据场的有效数据共7字节；第1～2、3～4、5～6字节分别表示横舵角度、上直舵角度、下直舵角度，各存放1个int类型的数值，数值等于真实值乘以100再取整；第7字节表示舵机控制器节点状态；第8字节为保留字节；
航行状态报文数据场的有效数据共1字节；第1字节使用D5～D0共6个位分别表示航行器的6个状态；第2～8字节为保留字节；
航向姿态数据报文数据场的有效数据共6字节；第1～2、3～4、5～6字节分别表示横滚角、航向角、俯仰角，各存放1个int类型的数值，数值等于真实值乘以100再取整；第7～8字节为保留字节；
速度高度数据报文数据场的有效数据共8字节；第1～2、3～4、5～6字节分别表示前向速度、侧向速度、垂向速度，各存放1个int类型的数值，数值等于真实值乘以1000再取整；第7～8字节表示高度，存放1个int类型的数值，数值等于真实值乘以100再取整；
深度数据报文数据场的有效数据共2字节；第1～2字节表示深度，存放1个unsigned int类型的数值，数值等于真实值乘以100再取整；第3～8字节为保留字节；
坐标位置数据报文数据场的有效数据共8字节；第1～4字节表示经度，存放1个long int类型的数值，数值等于真实值乘以231除以180再取整，以东经为正；第5～8字节表示纬度，存放1个long int类型的数值，数值等于真实值乘以231除以90再取整，以北纬为正。
有益效果
本发明的内部通信方法具有的优点和积极效果是：(1)可以随着航行器整个系统所配置节点的变动，很方便地设置协议的收发节点标志位，满足系统后续开发和改进的可扩展性需求，具有较强的可移植性；(2)对报文数据场中的数据进行预处理，提高报文数据场存储空间的利用率，满足各节点之间相互通信的实时性和速率要求；(3)采用成熟的CAN总线通信技术，结构简单易行，对硬件系统要求低，具有良好的可靠性。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1：CAN报文内部通信流程图
图2：一种便携式AUV的控制原理图
图3：扩展帧各标志位的定义
图4：各节点作为收、发装置时的标志位数值
图5：供电控制器节点状态报文数据场
图6：电机控制器节点状态报文数据场
图7：舵机控制器节点状态报文数据场
图8：航行状态报文数据场
图9：航向姿态数据报文数据场
图10：速度高度数据报文数据场
图11：深度数据报文数据场
图12：坐标位置数据报文数据场
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明为了充分发挥分布式控制系统和总线通信的优势，提出一种便携式自主水下航行器的内部通信方法，该设计方法能充分满足AUV各模块之间的通信需求，易于实现节点和功能的拓展，具有很强的可扩展性和灵活性；该方法还能够有效地提高通信效率，在满足任务需求的前提下，提高系统的实时性和可靠性。
本发明包括报文生成、报文传输、报文接收3个环节。具体包括以下步骤：
步骤1：便携式自主水下航行器的内部通信节点根据通信需求生成报文；
所述内部通信节点包括航行控制微机、供电控制器、电机控制器、舵机控制器、无线通信模块、数据记录微机、安全保险模块；如图2所示。
所述内部通信方法采用CAN2.0b协议，所采用的CAN总线通讯波特率为500kbps，能够满足数据传输的速率和实时性要求；每一帧报文包括4个字节的标识符和8个字节的数据场；采用29位扩展报文标志符D28～D0，如图3所示；其中标志符的高3位D28～D26为优先级，可表示8个优先级。010表示指令报文，高优先级；011表示数据报文，低优先级。设定不同的标志位，使指令报文具有较高的优先级，保证了控制指令的优先执行。根据各个节点任务的不同以及所需通信量的不同，设定标志位D25～D16为接收节点标志，标志位D15～D12为发送节点标志，在总线通信中对应着不同的优先度级别，如图4所示。标志位D11～D6为保留位，保留位全部置0，标志位D5～D0为报文编号，用于区分优先级和收、发节点都相同的不同内容的报文，从000001依次递增。
通过报文数据场对要传输的数据进行预处理，提高报文数据场的利用率，可以有效降低通信负荷，各种报文的数据具体处理方法如下：
供电控制器节点状态报文数据场的有效数据共7字节，如图5所示；第1字节的D5～D0位表示6路电路的供电状态，1表示供电，0表示未供电。第2～7字节表示相应6路电路的电流值，每个数值占用1个字节，数值等于实际电流值乘以10再取整；第8字节为保留字节。
电机控制器节点状态报文数据场的有效数据共4字节，如图6所示；第1～2字节表示电机转速，存放1个unsigned int类型的数值，由于实际转速可能为负值，该数值等于真实值加上1000以保证该数值始终为一正值；第3～4字节表示电机电流速，存放1个unsignedint类型的数值，数值等于真实值乘以100再取整；第5～8字节为保留字节。
舵机控制器节点状态报文数据场的有效数据共7字节，如图7所示；第1～2、3～4、5～6字节分别表示横舵角度、上直舵角度、下直舵角度，各存放1个int类型的数值，数值等于真实值乘以100再取整；第7字节表示舵机控制器节点状态；第8字节为保留字节。
航行状态报文数据场的有效数据共1字节，如图8所示；第1字节使用D5～D0共6个位分别表示航行器的6个状态，某位为1表示航行器处于该位对应的状态，否则置0；第2～8字节为保留字节。
航向姿态数据报文数据场的有效数据共6字节，如图9所示；第1～2、3～4、5～6字节分别表示横滚角、航向角、俯仰角，各存放1个int类型的数值，数值等于真实值乘以100再取整；第7～8字节为保留字节。
速度高度数据报文数据场的有效数据共8字节，如图10所示；第1～2、3～4、5～6字节分别表示前向速度、侧向速度、垂向速度，各存放1个int类型的数值，数值等于真实值乘以1000再取整；第7～8字节表示高度，存放1个int类型的数值，数值等于真实值乘以100再取整。
深度数据报文数据场的有效数据共2字节，如图11所示；第1～2字节表示深度，存放1个unsigned int类型的数值，数值等于真实值乘以100再取整；第3～8字节为保留字节。
坐标位置数据报文数据场的有效数据共8字节，如图12所示；第1～4字节表示经度，存放1个long int类型的数值，数值等于真实值乘以231除以180再取整，以东经为正；第5～8字节表示纬度，存放1个long int类型的数值，数值等于真实值乘以231除以90再取整，以北纬为正。
步骤2：便携式自主水下航行器的报文发送节点将按照上述规则生成的报文发送到CAN总线上。
步骤3：便携式自主水下航行器的内部通信节点从CAN总线上读取报文，检查标识符中的接收节点标志位D25～D16，当内部通信节点在该报文的接收节点之列时，对报文进行进一步处理：检查标志位D15～D12和D5～D0，确定收到的报文类型；再根据报文定义，对数据场里的数据进行逆向处理，得到传输的原始数据。
现结合实例，并配合附图描述本发明：
实施例一：由电机控制器节点同时向控制微机节点、无线通信模块节点和安全保险模块节点发送状态反馈报文，数据内容为：转速-300转每秒，电流3.52A。
CAN报文通信具体流程参阅图1：
1：电机控制器发送报文，该报文为数据报文，所以标志符的优先级D28～D26＝011。
2：数据接收节点为控制微机节点、无线通信模块节点和安全保险模块节点，发送节点为电机控制器节点，参阅图4可知：D25～D16＝0111010111，D15～D12＝0011。D11～D6默认为000000。
3：报文编号为D5～D0＝000001。因此，29位标志位D28～D0＝0110111010111001100000 0000001，即报文ID＝0xDD73001。
4：参阅图6可知：数据场1～2字节unsigned int＝(-300+1000)＝700，转化为16进制为0x02BC；数据场3～4字节unsigned int＝(3.52×100)＝352，转化为16进制为0x0160；数据场5～8字节保留。
因此，需要发送的CAN报文ID为DD73001，数据场为：02BC 01 60。
5：电机控制器经CAN总线向外发送该报文。
6：从CAN总线上读取报文可以得到：D25～D16＝0111010111，D15～D12＝0011，由图4可知：数据接收节点为控制微机节点、无线通信模块节点和安全保险模块节点，发送节点为电机控制器节点。
7：CAN报文标识符中D5～D0＝000001，可知报文定义如图6所示。
8：根据图6中数据场的定义，对数据场(02BC 01 60)逆向处理可以得到：电机转速-300rpm，电机电流3.52A。此次CAN报文通信完毕。
实施例二：由无线通信模块节点向控制微机节点发送坐标位置数据报文，数据内容为：东经128.5742度，北纬34.6712度。
CAN报文通信具体流程参阅图1：
1：无线通信节点发送报文，该报文为数据报文，所以标志符的优先级D28～D26＝011。
2：数据接收节点为控制微机节点，发送节点为无线通信节点，参阅图4可知：D25～D16＝0111111111，D15～D12＝0101。D11～D6默认为000000。
3：报文编号为D5～D0＝000001。因此，29位标志位D28～D0＝0110111111111010100000 0000001，即报文ID＝0xDFF5001。
4：参阅图12可知：数据场1～4字节long int＝(128.5742×231)/180＝1533949955，转化为16进制为0x5B6E3803；数据场3～4字节long int＝(34.6712×231)/90＝827287056，转化为16进制为0x314F6610。
因此，需要发送的CAN报文ID为DFF5001，数据场为：5B 6E 38 03 31 4F 66 10。
5：无线通信节点经CAN总线向外发送该报文；
6：从CAN总线上读取报文可以得到：D25～D16＝0111111111，D15～D12＝0101，由图4可知：数据接收节点为控制微机节点，发送节点为无线通信节点；
7：CAN报文标识符中D5～D0＝000001，可知报文定义如图12所示：
8：根据图12中数据场的定义，对数据场(5B 6E 38 03 31 4F 66 10)逆向处理可以得到：东经128.5742度，北纬34.6712度。此次CAN报文通信完毕。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (2)

1.一种便携式自主水下航行器的内部通信方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：便携式自主水下航行器的内部通信节点根据通信需求生成报文；
所述内部通信节点包括航行控制微机、供电控制器、电机控制器、舵机控制器、无线通信模块、数据记录微机、安全保险模块；
所述内部通信方法采用CAN2.0b协议，所采用的CAN总线通讯波特率为500kbps；每一帧报文包括4个字节的标识符和8个字节的数据场；采用29位扩展报文标志符D28～D0，其中标志符的高3位D28～D26为优先级，标志位D25～D16为接收节点标志，标志位D15～D12为发送节点标志，标志位D11～D6为保留位，保留位全部置0，标志位D5～D0为报文编号；
步骤2：便携式自主水下航行器的报文发送节点将生成的报文发送到CAN总线上；
步骤3：便携式自主水下航行器的内部通信节点从CAN总线上读取报文，检查标识符中的接收节点标志位D25～D16，当内部通信节点在该报文的接收节点之列时，对报文进行进一步处理：检查标志位D15～D12和D5～D0，确定收到的报文类型；再根据报文定义，对数据场里的数据进行逆向处理，得到传输的原始数据。
2.根据权利要求1所述一种便携式自主水下航行器的内部通信方法，其特征在于：
在步骤1生成报文时，通过报文数据场对要传输的数据进行预处理，其中：
供电控制器节点状态报文数据场的有效数据共7字节；第1字节的D5～D0位表示6路电路的供电状态，第2～7字节表示相应6路电路的电流值，每个数值占用1个字节，数值等于实际电流值乘以10再取整；第8字节为保留字节；
电机控制器节点状态报文数据场的有效数据共4字节；第1～2字节表示电机转速，存放1个unsigned int类型的数值，该数值等于真实值加上1000；第3～4字节表示电机电流速，存放1个unsigned int类型的数值，数值等于真实值乘以100再取整；第5～8字节为保留字节；
舵机控制器节点状态报文数据场的有效数据共7字节；第1～2、3～4、5～6字节分别表示横舵角度、上直舵角度、下直舵角度，各存放1个int类型的数值，数值等于真实值乘以100再取整；第7字节表示舵机控制器节点状态；第8字节为保留字节；
航行状态报文数据场的有效数据共1字节；第1字节使用D5～D0共6个位分别表示航行器的6个状态；第2～8字节为保留字节；
航向姿态数据报文数据场的有效数据共6字节；第1～2、3～4、5～6字节分别表示横滚角、航向角、俯仰角，各存放1个int类型的数值，数值等于真实值乘以100再取整；第7～8字节为保留字节；
速度高度数据报文数据场的有效数据共8字节；第1～2、3～4、5～6字节分别表示前向速度、侧向速度、垂向速度，各存放1个int类型的数值，数值等于真实值乘以1000再取整；第7～8字节表示高度，存放1个int类型的数值，数值等于真实值乘以100再取整；
深度数据报文数据场的有效数据共2字节；第1～2字节表示深度，存放1个unsignedint类型的数值，数值等于真实值乘以100再取整；第3～8字节为保留字节；
坐标位置数据报文数据场的有效数据共8字节；第1～4字节表示经度，存放1个longint类型的数值，数值等于真实值乘以231除以180再取整，以东经为正；第5～8字节表示纬度，存放1个long int类型的数值，数值等于真实值乘以231除以90再取整，以北纬为正。
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