本文簡要介紹了基于pc104嵌入式工業(yè)控制計算機某小型遠程自主水下航行器制導系統(tǒng)的設計要求和軟硬件實現(xiàn)方法，該制導系統(tǒng)己成功應用于學校211工程建設的自主水下航行器上。

西北工業(yè)大學航海工程學院研制的水下航行器，是一種小型、遠航程、低速航行、電動力推進、主要從事科學研究的水下航行器，其研制始于1998年。由于其體積小，而且要求其航程遠，除了采用低阻外型及高效稀土永磁推進電機外，要求其制導系統(tǒng)的功耗要低，體積要小。由于科研經(jīng)費限制，制導系統(tǒng)的成本要求要低。

1制導系統(tǒng)的硬件設計考慮到客觀條件對制導的實際需要，制導系統(tǒng)的硬件設備主要包括：pc104工控機、電子羅盤、gps、深度傳感器、舵機，其結(jié)構(gòu)原理圖如所示。

水下航行器的pc104工控機主要有cpu模、a/d轉(zhuǎn)換板及d/a轉(zhuǎn)換板、串口并口擴展板幾部分。

1）cpu模塊采用深圳盛博公司的80486dx系列，它與標準的pc100%兼容，含有14個中斷通道8259兼容），7個dma通道8237兼容），3個可編程計數(shù)器/定時器8254兼容），2個16550兼容的rs232口。

a/d轉(zhuǎn)換板采用實時設備公司生產(chǎn)的dm5406，它的主要性能指標為：輸入電源+5v；8路差分或16路單端輸入a/d通道，分辨率12位，轉(zhuǎn)換時間5微秒；3個16位定時器/計數(shù)器，其中2個計數(shù)器串聯(lián)用作a/d采樣的同步時鐘；2路12位d/a，可通過編程輸出。

d/a轉(zhuǎn)換板采用實時設備公司生產(chǎn)的dm5604，它的主要性能指標為：輸入電源+5v；功耗2.35w；8路12位d/a，可通過編程輸出24路ttl/cmos兼容的8255數(shù)字i/o.串口并口擴展板采用深圳盛博公司生產(chǎn)的msp-i系統(tǒng)擴展模塊，含有兩個pc兼容rs232c串行口默認端口地址為3e8h和2e8h，中斷號為irq11和丨rq10），―個pc兼容雙向并行口，pc104標準尺寸，+5v操作電壓，低功耗cmos設計，與pc104cpu模塊直接接。

電子羅盤采用美國精確導航公司研制的tcm2-20，它是一個具有最新技術的低功耗、高性能的傳感器模塊，它將一個三軸磁強計和一個高性能的二軸傾斜傳感器結(jié)合封裝在一起，使其具有比當今其它類型的羅盤更小的體積和功耗。

始化，同時可以跟蹤12個衛(wèi)星，并可進行快速定位。

深度傳感器采用寶雞儀表廠生產(chǎn)的cs-pt系統(tǒng)高精度壓力變送器。

舵機作為航行器的執(zhí)行機構(gòu)，主要執(zhí)行元件為步進電機，傳動機構(gòu)為蝸輪、蝸桿。步進電機的工作方式為四相四拍。在該舵機控制系統(tǒng)中僅需控制電機運轉(zhuǎn)脈沖數(shù)及運轉(zhuǎn)方向，就可達到控制舵角的目的。舵機控制系統(tǒng)采用單片機和功率放大器混合驅(qū)動步進電機。

步進電機驅(qū)動脈沖使用軟件分配，每臺電機使用專門的正反轉(zhuǎn)程序，通過對a/d采樣值的計算，得到電機的驅(qū)動脈沖數(shù)，可實現(xiàn)一個單片機對三臺電機的驅(qū)動。

步進電機的驅(qū)動電源采用大功率場效應管，它具有驅(qū)對上式積分得到航行器的航向角指令為動功率小，無二次擊穿等優(yōu)點。

2制導系統(tǒng)的軟件設計控制方案1）水下航行器縱向運動的控制方案：水下航行器縱向運動是一個不穩(wěn)定的非最小相位系統(tǒng)1，為了提高其定深航行的穩(wěn)定性，其控制方案的結(jié)構(gòu)圖如所示。，——航行器縱向運動控制方案結(jié)構(gòu)圖其中y為由深度傳感器測量到的航行器的航行深度，y為設定航行深度，為自由角，為橫舵角指令，ky和為比例系數(shù)，為深度變化率的估計值。為了提高！估計的精度和響應速度，提高抗干擾性，我們采用變帶寬微分跟蹤器，其表達式為n（y-y）系數(shù)為帶寬。其中的表達式為水下航行器航向運動的控制方案：采用位置輸出反饋控制方案，其控制方案的結(jié)構(gòu)圖如所示。

其中為由磁羅盤測量到的航行器的航向角，為由制導律計算出的航向角指令，k為比例系數(shù)，為垂直舵角指令。

水下航行器橫滾運動的控制方案：采用位置輸出反饋控制方案，其控制方案的結(jié)構(gòu)圖如所示。

為比例系數(shù)，為差動舵角指令。

4）舵角分配規(guī)律：由于水下航行器采用全動舵結(jié)構(gòu)配置，并采用水平差動，因此水平左舵和右舵的分配規(guī)律為制導律采用方位線3humb-line）導航方案。所謂方位線rhumb-line）即是地球表面上與所有子午線以相同角度相交的交點之間的連線，如所示。

在中，（，））為由gps測量到的航行器的當前經(jīng)煒度，（+，）+）為航行器就位點的經(jīng)煒度。當a（=（+-（，a）=）廠）9，足夠小時，由可得為了便于程序的維護升級，制導系統(tǒng)軟件采用c++語言。由于制導系統(tǒng)中的電子羅盤、gps的輸出一般都是采用串行數(shù)字輸出，其格式符合美國國家海洋電子協(xié)會為海用電子設備制定的標準nmea-0183.為此，我們開發(fā)了pc104工控機與這些設備之間進行串行中斷通訊的c++通用軟件。它主要由兩個基本類組成。一是bufferclass類，該類主要是將串行中斷通訊接收到的數(shù)據(jù)放入緩沖器中，以便對接收到的數(shù)據(jù)進行處理和轉(zhuǎn)化。另一類是serialportclass類，該類主要完成對串行通訊接口進行設置，并將接收的數(shù)據(jù)存入緩沖器內(nèi)。在此基礎上，分別針對電子羅盤、gps定義了兩個派生類。以電子羅盤為例，一個派生類為compbufferclass，存放電子羅盤輸出的整串數(shù)據(jù)，另一個派生類為compassportclass，設置電子羅盤斷口地址、中斷號及串行通訊格式。由于篇幅所限，不能在本文中詳細介紹，可參閱。此外，為下轉(zhuǎn)第53頁）服務器數(shù)據(jù)標簽與plc6的寄存器數(shù)據(jù)標簽內(nèi)容吻合。證明服務器數(shù)據(jù)交換正常。當檢查plc6與plc2通訊時，發(fā)現(xiàn)plc1、plc2的modbuspluse的通訊指示燈閃爍均不正常，而plc6的閃爍正常。按理說plc6、plc2、plc1之間為柜間線，也無人接觸不該導致通訊中斷。經(jīng)簡單目視檢查后，沒有發(fā)現(xiàn)問題。由于plc1、plc2同處于網(wǎng)路后半段，遂認為有因素在影響整個網(wǎng)路后半段。立即前往距離約50米外的網(wǎng)路后半段終端點-電氣值班室。經(jīng)檢查modbuspluse網(wǎng)絡終端電阻接線接觸不良，引起短路，導致網(wǎng)絡阻抗不匹配，信號反射率上升，引起波形失真，從而影響到網(wǎng)路后半段最近的3個節(jié)點不能正常工作。

重新接線后，系統(tǒng)立即恢復正常。事后詢問得知，電氣值班室這幾日一直在裝修，白天屢屢搬動設備，可能就是因為設備移動導致終端電阻時好時壞，這也解釋了為何故障從不發(fā)生在深夜的疑問。

3改進措施現(xiàn)在網(wǎng)絡化工業(yè)控制在工業(yè)生產(chǎn)中處于至關重要的地位，其通訊安全理應得到足夠的重視。一些次重要或可有可無的網(wǎng)絡節(jié)點應盡量減少或做分段處理。布線點一定要確保網(wǎng)路安全可靠。這一點尤其在總線式網(wǎng)絡上特別突出。從而在根源上減少甚至杜絕故障。除了在硬件設置上進行了重新安置，還在網(wǎng)絡故障軟件診斷上，下了很大功夫。經(jīng)過反復論證，實現(xiàn)了網(wǎng)路故障的即時診斷。即使出問題的不單單是網(wǎng)路線路，還包括電源中斷、cpu損壞、通訊輔助設備損壞等，也能夠在極短的時間內(nèi)判斷故障點及故障范圍。具體做法如下：在plc1~6以及服務器分別設置一個動態(tài)變化的位寄存器和位數(shù)據(jù)標簽，它們不斷地以1秒一次的頻率變化，由0！1再由1！0.這樣在c1~c10上可以清楚的看到plc1~6以及服務器中，誰與工作站通訊中斷了。同時配合plc以及服務器的狀態(tài)字傳輸，可以方便的得到通訊故障原因，如果應用數(shù)據(jù)庫技術還可以進行網(wǎng)絡故障的歷史記錄和查詢。