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。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寫入數據，并且在處理后把最終結果發(fā)送給主線程和導航線程。在主線程中將數據顯示到界面上，在導航線程根據導航算法計算出用于導航的數據并寫入串口以控制AUV的運行狀態(tài)，包括AUV上浮、下潛、前進、后退、左轉彎、右轉彎。實驗結果表明，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，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、艙內溫濕度、推進器轉速、舵的方向角以及在水面時GPS傳感器數據等信息，該軟件將這些信息顯示到界面上最終實現對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、數字羅盤、GPS等傳感器，這些傳感器采集到的數據用于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據經過慣性導航算法處理，根據協議將慣性導航算法處理結果發(fā)送到AUV，最終實現對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動的方式。所謂事件驅動，即當串口有數據進入輸入緩沖區(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，直到有數據寫入到輸出緩沖區(qū)寫函數才返回。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OnBtnOpen()，利用API函數打開并對串口進行配置。最后使用API函數CreateThread創(chuàng)建一個線程。由于軟件工作過程中需要傳送的數據量不大，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，FILE_FLAG_OVERLAPPED，NULL)
    在串口操作線程中使用API函數ReadFile用于讀取串口數據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)
2．2 串口通信協議
    串口通信必須遵守一定的通信協議，才可實現該控制軟件與AUV的正常通信。串口通信數據格式如圖2所示，圖中Data0，Datal，Data2 …代表一個字(2 B)。

    發(fā)送或接收的一幀數據最長為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)送或者接收到的數據。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。

3 軟件實現
3．1 多線程實現
    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據，并提取有效數據，接著利用函數PostMessage將有效數據分別傳送到主線程和導航線程。主線程將有效數據根據協議進行解包并把數據包中包含的AHRS、數字羅盤、GPS等傳感器和推進器、前艙環(huán)境參數等數據顯示到界面上。當使用搖桿控制AUV的運行時主線程每隔0．5 s從USB接口接收數據，并轉換成推進器轉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據發(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典的PID控制算法來實現的，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，根據圖5按照下式可計算出角度θ。角度θ計算公式為：
    
    在AUV進行Ji-1～Ji段的航行時，AUV根據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AUV的GPS／INS組合導航。

4 控制軟件界面及實驗結果
4．1 軟件界面
    本文設計的軟件界面左側上半部分和右側主要實現對AUV的控制，界面左側中下部分的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、GPS經緯度、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方向舵的調整，進而實現AUV方向的調整。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按鈕，目的是在步進電機失步時將方向舵調整回原位置。
    該控制軟件還以儀表盤的方式顯示推進轉速、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據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函數得到控件IDC_STATIC_SPD的區(qū)域坐標rect2，調用API函數InvalidateRect(＆rect2)重繪，將進入函數CDspsockDlg：OnPaint()重繪。利用MFC中的函數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換成對話框上的坐標值，調用函數畫一條連接該區(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 結語
    介紹了20 kg級便攜式AUV控制軟件的實現，該軟件利用串口通信技術、多線程編程技術在傳輸數據量不很大的情況下表現了良好的性能。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。