无人航行器控制软件开发(附件)【字数：19348】
摘 要摘 要无人航行器是一种在水下作业的机器人，但水下工作环境复杂，按照岸上的手动控制并不能及时的解决水下的突发情况，因此需要辅助以自动控制来解决这个问题。论文首先介绍了无人航行器的发展情况；其次是介绍了无人航行器的机械结构和硬件方案，然后设计了无人航行器控制软件总体方案，根据要实现的功能分析了自由口通讯协议，得出了通讯帧的格式和指令类型；接着介绍了LabVIEW虚拟仪器的应用，然后开发了无人航行器的岸基控制软件，实现岸基对无人航行器的运动控制、传感器数据处理、报警信息以及紧急避障等功能；最后介绍了西门子PLC的编程软件STEP 7-MicroWIN的应用，然后开发了无人航行器的艇基控制软件，实现与岸基控制软件的通讯、执行电机运动、采集传感器数据等功能。本文对基于西门子PLC控制的无人航行器的岸基控制软件和艇基控制软件进行了系统的设计，对以后的无人航行器的研发提供了一定的借鉴。关键词无人航行器；岸基控制软件；艇基控制软件
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究现状 2
1.2.1 国外研究现状 2
1.2.2 国内研究现状 2
1.3 本课题主要研究内容 3
第二章 无人航行器控制软件总体方案设计 4
2.1 无人航行器机械结构方案介绍 4
2.2 无人航行器硬件方案介绍 4
2.2.1 PLC的选择 4
2.2.2 其他硬件的选择 5
2.2.3 硬件接线图 7
2.2.4 无人航行器控制原理 7
2.3 无人航行器软件方案设计 8
2.3.1 上位机与下位机通讯概述 8
2.3.2 软件的选择 8
2.3.3 通讯方式和协议的选择 9
第三章 岸基控制软件设计 10
3.1 LabVIEW软件概述 10
3.2 岸基控制软件控制流程图 10
3.3 通讯参数 12
3.3.1 RS232通讯配置 12
3.3.2 指令数据格式 12
3.3.3 指令类型 12
3.4 岸基控 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
制软件程序设计 13
3.4.1 串口通信程序 13
3.4.2 CRC校验程序 16
3.4.3 运动控制程序 17
3.4.4 数据处理与显示程序 19
3.4.5 自动避障程序 24
3.4.6 报警及日志显示程序 25
3.5 岸基控制软件设计结果 26
3.5.1 岸基控制软件操作界面 26
3.5.2 岸基控制软件程序 27
第四章 艇基控制软件设计 28
4.1 PLC及其编程软件简介 28
4.2 艇基控制软件控制流程图 28
4.3 艇基控制软件程序设计 29
4.3.1 串口通信子程序 29
4.3.2 CRC校验子程序 35
4.3.3 运动控制子程序 37
4.3.4 模拟量传感器数据采集子程序 48
4.3.5 数字量传感器数据采集子程序 48
结语 51
1．总结 51
2．展望 51
致谢 52
参考文献 53
附录 55
绪论
研究背景
中国有着广阔的海洋领域，海洋中储藏着丰硕的生物资源、矿产资源以及丰厚的能源。正由于水下无人设备作为一种高科技手段在海洋开发中扮演者极其重要的角色，那样发展水下无人航行器技术有着极度重要的影响。但是无人航行器具有六个运动方向，工作时其状况不是规律性变化，再加上水下环境的多样性和杂乱性，其控制方法极度繁琐。
本设计采用传感器收集航行器的工作环境信息，并根据收集到的信息实现航行器的紧急避障功能，正常工作状态下由岸基手动控制航行器的运动动作，实现航行器的半自动运行，使航行器能够在复杂的水下航行环境中，更加平稳和安全的工作。
到目前为止无人航行器有两大类：一类是遥控式水下无人航行器（简称ROV）和主动式水下无人航行器（简称AUV）。这两类的无人航行器的可以追溯到1960年，但是进步较快的是ROV，到了70年开始了开拓摸索，并在80年代技术趋于成熟，但是相比之下，AUV技术并没有很大的进展。俄罗斯、美国、日本、欧洲等国早就开始了无人航行器的研制，并投入使用，中国对此研究起步较晚， 虽然ROV技术基本和国外持平，但是AUV技术还落后于国外。
ROV的特点是效率高、安全强、性价比高和作业范围大等,在全球各个领域中的使用都渐渐普遍开来。现在的需求是提供性能更强、经济性更高、功能更完善的ROV设备, 所以加大ROV的研发力度。目前阶段ROV的研究的方向可以总结为下列几点：1)向更高的性能方向进步；2)向更高的稳定性、可靠性方向进步；3)向主动化和小型化方向进步；4)向更深的作业深度方向进步；5)向更高的专业化程度方向进步；6)新概念的ROV随时都有可能出现[1]。
目前阶段AUV的研究的方向可以总结为以下几点：1)小型化:当相关科学技术的发展进步越来越快,微型处理运算器和数据传感器的出现, 大大提高了小型化的AUV的出现可能；2)混合式:在不久的未来出现的不仅仅是标准型号的AUV设备,还将会出现混合型的AUV/ROV；3)群体化:随着水下机器人被越来越广泛的应用于水下作业,未来将会出现多个AUV的同时合作作业,一起完成复杂的工作任务；4)远程化:随着需要适用于更大范围的调查作业,要求设计的AUV能够进行远程控制操作；5)智能化:在航行器的信息处理和运动控制的系统中,采用人工智能技术、图像识别技术、预设好的知识库系统,还有提高信息实时处理分析的能力和精确的定位导航的能力等[2]。
研究现状
国外研究现状
美国军方对无人水下控制器的研究时间最久远，目前技术趋向于智能化方向，目前研制的小型无人航行器“雷摩斯”100已经能支持反水雷任务；法国，在军事领域，ECA公司研制了新型的无人航行器可以实现反鱼雷“OILSTER”，在民用领域，研发出了主要功能是对深海环境的研究分析、海底搜救打捞作业、资源勘测等等功能的“Epaulard”；日本在无人航行器的技术发展极为迅速，甚至在某些技术指标方面占领了国际领先地位，由日本三菱重工研发的用于海底资源勘探的无人航行器“AUVEX1”，其下潜深度达到3500m；俄罗斯研发的无人航行器“Sea Lion”、“Yantar”和“Drov”已经被广泛应用于深海区域探测、地理勘测和工程调查等方面；德国开发了具备深海资源探测、勘探海底地质地貌和拆装海底探测设备等功能的作业型 “Deep C“无人航行器。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究现状 2
1.2.1 国外研究现状 2
1.2.2 国内研究现状 2
1.3 本课题主要研究内容 3
第二章 无人航行器控制软件总体方案设计 4
2.1 无人航行器机械结构方案介绍 4
2.2 无人航行器硬件方案介绍 4
2.2.1 PLC的选择 4
2.2.2 其他硬件的选择 5
2.2.3 硬件接线图 7
2.2.4 无人航行器控制原理 7
2.3 无人航行器软件方案设计 8
2.3.1 上位机与下位机通讯概述 8
2.3.2 软件的选择 8
2.3.3 通讯方式和协议的选择 9
第三章 岸基控制软件设计 10
3.1 LabVIEW软件概述 10
3.2 岸基控制软件控制流程图 10
3.3 通讯参数 12
3.3.1 RS232通讯配置 12
3.3.2 指令数据格式 12
3.3.3 指令类型 12
3.4 岸基控 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
制软件程序设计 13
3.4.1 串口通信程序 13
3.4.2 CRC校验程序 16
3.4.3 运动控制程序 17
3.4.4 数据处理与显示程序 19
3.4.5 自动避障程序 24
3.4.6 报警及日志显示程序 25
3.5 岸基控制软件设计结果 26
3.5.1 岸基控制软件操作界面 26
3.5.2 岸基控制软件程序 27
第四章 艇基控制软件设计 28
4.1 PLC及其编程软件简介 28
4.2 艇基控制软件控制流程图 28
4.3 艇基控制软件程序设计 29
4.3.1 串口通信子程序 29
4.3.2 CRC校验子程序 35
4.3.3 运动控制子程序 37
4.3.4 模拟量传感器数据采集子程序 48
4.3.5 数字量传感器数据采集子程序 48
结语 51
1．总结 51
2．展望 51
致谢 52
参考文献 53
附录 55
绪论
研究背景
中国有着广阔的海洋领域，海洋中储藏着丰硕的生物资源、矿产资源以及丰厚的能源。正由于水下无人设备作为一种高科技手段在海洋开发中扮演者极其重要的角色，那样发展水下无人航行器技术有着极度重要的影响。但是无人航行器具有六个运动方向，工作时其状况不是规律性变化，再加上水下环境的多样性和杂乱性，其控制方法极度繁琐。
本设计采用传感器收集航行器的工作环境信息，并根据收集到的信息实现航行器的紧急避障功能，正常工作状态下由岸基手动控制航行器的运动动作，实现航行器的半自动运行，使航行器能够在复杂的水下航行环境中，更加平稳和安全的工作。
到目前为止无人航行器有两大类：一类是遥控式水下无人航行器（简称ROV）和主动式水下无人航行器（简称AUV）。这两类的无人航行器的可以追溯到1960年，但是进步较快的是ROV，到了70年开始了开拓摸索，并在80年代技术趋于成熟，但是相比之下，AUV技术并没有很大的进展。俄罗斯、美国、日本、欧洲等国早就开始了无人航行器的研制，并投入使用，中国对此研究起步较晚， 虽然ROV技术基本和国外持平，但是AUV技术还落后于国外。
ROV的特点是效率高、安全强、性价比高和作业范围大等,在全球各个领域中的使用都渐渐普遍开来。现在的需求是提供性能更强、经济性更高、功能更完善的ROV设备, 所以加大ROV的研发力度。目前阶段ROV的研究的方向可以总结为下列几点：1)向更高的性能方向进步；2)向更高的稳定性、可靠性方向进步；3)向主动化和小型化方向进步；4)向更深的作业深度方向进步；5)向更高的专业化程度方向进步；6)新概念的ROV随时都有可能出现[1]。
目前阶段AUV的研究的方向可以总结为以下几点：1)小型化:当相关科学技术的发展进步越来越快,微型处理运算器和数据传感器的出现, 大大提高了小型化的AUV的出现可能；2)混合式:在不久的未来出现的不仅仅是标准型号的AUV设备,还将会出现混合型的AUV/ROV；3)群体化:随着水下机器人被越来越广泛的应用于水下作业,未来将会出现多个AUV的同时合作作业,一起完成复杂的工作任务；4)远程化:随着需要适用于更大范围的调查作业,要求设计的AUV能够进行远程控制操作；5)智能化:在航行器的信息处理和运动控制的系统中,采用人工智能技术、图像识别技术、预设好的知识库系统,还有提高信息实时处理分析的能力和精确的定位导航的能力等[2]。
研究现状
国外研究现状
美国军方对无人水下控制器的研究时间最久远，目前技术趋向于智能化方向，目前研制的小型无人航行器“雷摩斯”100已经能支持反水雷任务；法国，在军事领域，ECA公司研制了新型的无人航行器可以实现反鱼雷“OILSTER”，在民用领域，研发出了主要功能是对深海环境的研究分析、海底搜救打捞作业、资源勘测等等功能的“Epaulard”；日本在无人航行器的技术发展极为迅速，甚至在某些技术指标方面占领了国际领先地位，由日本三菱重工研发的用于海底资源勘探的无人航行器“AUVEX1”，其下潜深度达到3500m；俄罗斯研发的无人航行器“Sea Lion”、“Yantar”和“Drov”已经被广泛应用于深海区域探测、地理勘测和工程调查等方面；德国开发了具备深海资源探测、勘探海底地质地貌和拆装海底探测设备等功能的作业型 “Deep C“无人航行器。
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