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技術(shù)頻道

基于NI LabVIEW和Compact FieldPoint的水底爬行器(新！)

分類：技術(shù)教程 日期：2009-06-08 11:39:54 來源：

國家海洋技術(shù)研究所建造用于采集海床材料的水下行進(jìn)裝置
    作者: 
    Baskar Ceri, Apna Technologies & Solutions 有限公司;
    Vishwananth B O, 國家海洋技術(shù)學(xué)院; 
    Binu Balakrishnan, 國家海洋技術(shù)學(xué)院; 
    Valliappan M, Apna Technologies & Solutions 有限公司; 
    Senthil Raj Desappan, Apna Technologies & Solutions 有限公司

    應(yīng)用領(lǐng)域： 
    水處理/廢水處理 

    挑戰(zhàn)：
    為一臺能夠在深達(dá)600米的海床運行的水下行進(jìn)裝置搭建數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。

    解決方案： 
    使用NI LabVIEW, PXI Real-Time and Compact FieldPoint Real-Time Modules 開發(fā)系統(tǒng)。

    使用產(chǎn)品：
    Compact FieldPoint, 數(shù)據(jù)采集, LabVIEW, LabVIEW Real-Time, PXI/CompactPCI

    介紹：
    國家海洋技術(shù)學(xué)院開發(fā)了一組可在水下600米深海床執(zhí)行采集任務(wù)的行進(jìn)裝置，該裝置同時配備有剪切、采集以及運輸物體的設(shè)備。裝置從船只上投放，我們通過裝置上的水下計算機(jī)控制所有的操作，計算機(jī)獲取來自水下傳感器的數(shù)據(jù)、通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)連接接收來自船艙控制室電腦的指令并且自動和手動地控制行進(jìn)裝置上的設(shè)備輸出。我們通過使用一個多種模式下的光纖連接來建立控制船和海底計算機(jī)的通訊。為了能夠從行進(jìn)裝置上獲取各種各樣的信號，例如速度、方向和溫度，我們用的是置于船艙控制室的用戶界面屏幕。控制室單元從用戶終端采集正確的控制輸入數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)傳遞解碼到水下裝置的系統(tǒng)上。為了操作更具靈活性，我們將水下裝置與船艙控制室之間的通訊聯(lián)絡(luò)設(shè)計成TCP/IP協(xié)議方式的通訊（默認(rèn)的通訊協(xié)議），如果TCP/IP協(xié)議無法進(jìn)行通訊聯(lián)絡(luò)，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)入串行通訊。當(dāng)TCP/IP通訊聯(lián)絡(luò)恢復(fù)時，系統(tǒng)又會切回。系統(tǒng)的靈活性還在于如果船艙控制室和水下行進(jìn)裝置在一定時間內(nèi)沒有任何通訊聯(lián)絡(luò)，這個模塊會將裝置維持在用戶特定的安全位置直至通訊恢復(fù)正常。

    系統(tǒng)描述
    我們運用下列技術(shù)開發(fā)了水下行進(jìn)裝置的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)： 
    • 兩臺工業(yè)計算機(jī)運行基于LabVIEW的應(yīng)用程序，為控制船上的用戶提供用戶界面 
    • PXI Real-Time系統(tǒng)包括一臺PXI-1002機(jī)箱和一臺PXI-8176RT嵌入式控制器 
    • 用PXI-6031多功能DAQ硬件設(shè)備連接到控制臺信號 
    • 用PXI-6508數(shù)字輸入輸出硬件連接到控制手柄正常。

    在行進(jìn)裝置上的緊湊型嵌入式系統(tǒng)是基于Compact FieldPoint的實時系統(tǒng)，包括下列： 
    • cFP-2020RT 嵌入式控制器 
    • cFP-AI-110類比輸入模塊 
    • cFP-FTD-122 RTD 輸入模塊 
    • cFP-AO-210 類比輸入模塊 
    • cFP-DO-403 數(shù)字輸出模塊

    水下行進(jìn)裝置包括下列： 
    • 兩條水力驅(qū)動履帶使得裝置可以運動 
    • 用于松開海床上物體的剪刀 
    • 機(jī)械手臂使得剪刀向三個不同轉(zhuǎn)向運動 
    • 泥漿泵和管道使得挖到的沙子運送到控制船· 推進(jìn)器維持裝置的穩(wěn)定運動，不收海流影響 
    • 水力電源單元 
    • 兩臺攝像機(jī)和它們的燈光設(shè)備，用來觀察周邊情況和剪刀運動 
    • 感應(yīng)頭用來容納數(shù)據(jù)采集硬件從而來自行進(jìn)裝置及周邊的各種信號并控制裝置的運動 
    • 230伏特交流電， 3KVA電纜線驅(qū)動泥漿泵、推進(jìn)器控制和其他電路設(shè)備

    行進(jìn)裝置控制和數(shù)據(jù)采集
    我們在水下行進(jìn)裝置控制系統(tǒng)研發(fā)過程中選用NI Compact FieldPoint系統(tǒng)是因為它的堅固性和緊湊性。我們實施了一組Compact FieldPoint 系統(tǒng)，包括有運行LabVIEW實時程序高端512兆記憶體的嵌入式控制器cFP-2020，溫度輸入設(shè)備cFP-RTD-122， 模擬輸入設(shè)備cFP-AI-110， 控制驅(qū)動以及通過提供PID輸出控制方向的設(shè)備cFP-AO-210， 數(shù)字輸入設(shè)備cFP-DO-403和速度輸入設(shè)備cFP-CTR-502。我們運用Compact FieldPoint實時控制器和Compact FieldPoint I/O模塊控制所有行進(jìn)裝置的構(gòu)件。我們從船艙控制室將行進(jìn)裝置連同cFP模塊投放到深達(dá)600米的海床。

    PXI系統(tǒng)包括PXI-1002機(jī)箱和PXI-8176嵌入式控制器，運行的是LabVIEW實時應(yīng)用程序,以及從用戶控制面板獲取數(shù)字輸入的PXI-6508, 用于控制面板模擬輸入的PXI- 6031E。

    行進(jìn)裝置控制模塊：
    這部分是運行行進(jìn)裝置實時Compact FieldPoint控制器的主控制器程序。我們在LabVIEW實時(Real-Time)中編寫這個模塊。這個模塊持續(xù)從各個傳感器的感應(yīng)頭上采集數(shù)據(jù)并與船艙控制室內(nèi)的PXI 實時控制器進(jìn)行雙向通訊。PXI 和Compact FieldPoint實時控制器之間的通訊是通過TCP/IP協(xié)議來進(jìn)行的。當(dāng)TCP/IP無法運行的時候，通訊將切換到串行模式。
    我們特別設(shè)計這樣的模塊程序，當(dāng)它從一個PXI實時控制器接收任何指令，模塊在激活相應(yīng)的Compact FieldPoint模塊輸出前會檢查用戶設(shè)定的嚴(yán)格互鎖條件。當(dāng)船只和水下行進(jìn)裝置沒有通訊聯(lián)絡(luò)的時候，我們在Compact FieldPoint存儲器中維護(hù)互相獨立的數(shù)據(jù)日志、事件日志和錯誤日志文檔。一旦PXI和Compact FieldPoint之間的通訊聯(lián)絡(luò)恢復(fù)，我們把所存儲的數(shù)據(jù)上載到PXI。如果船艙控制室和水下行進(jìn)裝置在一定時間內(nèi)沒有任何通訊聯(lián)絡(luò)，這個模塊會將裝置引向安全位置。這個模塊的運行要求運用PID算法來控制水下行進(jìn)裝置的方向、速度和自動操作模式下兩條履帶的滑動。

    通訊模塊：
    這個模塊是所有模塊之間通訊聯(lián)絡(luò)的核心 – 包括主從電腦之間、PXI 控制器和 Compact FieldPoint 控制器之間以及主電腦和PXI控制器之間。大多數(shù)通訊聯(lián)絡(luò)是基于TCP/IP協(xié)議的。在PXI控制器和Compact FieldPoint控制器之間還有額外的內(nèi)建通訊。TCP/IP通訊是默認(rèn)的通訊協(xié)議，但如果這種通訊方式出現(xiàn)了錯誤，模塊將自動切換到串行（RS232）模式，而這樣做不會失去與控制船的聯(lián)系。模塊將不停地核對TCP/IP通訊是否重新建立。憑借高速數(shù)據(jù)傳送，一旦TCP/IP開始工作，通訊方式又將切換回TCP/IP，因為它在數(shù)據(jù)傳輸方面有著高的速度。這個模塊負(fù)責(zé)自動地在TCP/IP和串行模式的通訊方式間進(jìn)行切換。

    數(shù)據(jù)記錄模塊：
    數(shù)據(jù)記錄模塊運行在主電腦中、PXI控制器里和Compact FieldPoint控制器里。主電腦中存儲有每一天的操作數(shù)據(jù)。PXI控制器中有所有的數(shù)據(jù)作為備份。Compact FieldPoint中存儲的是當(dāng)Compact FieldPoint控制器和PXI控制器之間沒有通訊聯(lián)絡(luò)時的所有數(shù)據(jù)。當(dāng)它們之間的通訊重新建立時，被存儲在Compact FieldPoint控制器中的文檔即被轉(zhuǎn)移到PXI 控制器中。我們維護(hù)相互獨立的數(shù)據(jù)、誤差記錄，同時存檔事件的日志文件。數(shù)據(jù)記錄中有所有來自行進(jìn)裝置傳感器的數(shù)據(jù)。誤差記錄中有操作過程中的所有錯誤。事件日志則是記錄了所有的事件，比如在用戶在船艙控制室或者主從界面的控制動作，相應(yīng)的水下行進(jìn)裝置的動作，包括動作事件發(fā)生所對應(yīng)的時間。系統(tǒng)按照用戶設(shè)定的記錄速率進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。通過查看模塊，用戶可以隨時調(diào)閱之前所存儲的數(shù)據(jù)。

    結(jié)論
    我們用NI虛擬儀器技術(shù)的概念構(gòu)建水下行進(jìn)裝置的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，使用了包括LabVIEW、 PXI實時(Real-Time)以及 Compact FieldPoint Real-Time的技術(shù),通過最高效的應(yīng)用程序完成數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的構(gòu)建。該系統(tǒng)不僅負(fù)責(zé)獲取來自水下600米深的海床處行進(jìn)裝置的信號，而且還負(fù)責(zé)控制行進(jìn)裝置本身。最終，我們縮短了開發(fā)的時間,并且還具備了應(yīng)付未來技術(shù)不斷改進(jìn)升級的能力.			
		
				
    
			
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