行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
子計畫四：抗流型水下遙控載具之感應器系統整合(1/3)
計畫類別： 整合型計畫 計畫編號： NSC93-2611-E-110-010- 執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日 執行單位： 國立中山大學海下技術研究所 計畫主持人： 王兆璋 共同主持人： 程啟正，陳信宏 報告類型： 精簡報告 報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 94 年 10 月 12 日
抗流性水下遙控載具(ROV)關鍵性技術開發及系統整合
子計畫四：水下潛航器之感應器系統整合Integration of Sensory System for Remotely Operated Vehicle 主持人：王兆璋 共 同 主 持 人 ： 程 啟 正 陳信宏
摘要
ROV 系統在操作時，需要藉由各種感應器將水中環境參數以及 ROV 本身的狀態測量後，上傳至水 面，由 ROV 操作者研判後，掌握系統與環境後才能執行任務。ROV 本身的狀態包括深度、離底高 度、位置、傾斜角、艏向等；而環境狀況包括水溫、海底地形、海底影像及環場障礙物等。因此系 統需要很多感應器才能達成。包括有：壓力式深度計、高度聲納(altimeter)、都卜勒聲納(Acoustic Doppler Current Profiler)、電子式傾角儀(Inclinometer)、電子羅盤、溫度計、攝影機、環場聲納(scanning sonar)、側掃聲納(side scan sonar)甚至多音束聲納(multibeam echo sounder)。這些感應器的資料更新 頻率大不相同，從不到一赫茲左右的環場聲納、數十赫茲的傾角儀、一直到連續輸出的攝影機。而 訊號的格式，有的為數位如環場聲納，有的為類比如壓力計。資料量也大不相同，從每秒數個到數 千個位元組都有。在資料特性歧異度高以及有限頻寬的限制下，如何將資料穩定且可靠地擷取、彙 整及傳遞至水面上的人機操作介面，是一項需要研究的課題。 我們希望發展一個泛用型感應器資料彙整系統，提供多個通道(Channels)，讓不論是以序列埠(Serial port)的形式連接，或者是需要經過類比數位轉換(A/D Conversion)後才能使用的訊號簡易的硬體及 通訊介面。而資料的傳遞也由彙整系統以封包(packet)的形式傳送至水面的人機介面電腦。系統資 料整合及採樣裝置控制預計在 Real-Time Linux 作業系統下開發。同時藉由 Linux 的網路功能建立 一個可以網路遠端監控 ROV 狀態的系統。簡介
本子計畫「抗流型水下潛航器之感應器系統整合」是負責提供一個機制將潛航器 上的資訊上傳控制台，也將控制台操作員的指令下載至潛航器。ROV 系統在操作 時，需要藉由各種感應器將水中環境參數以及 ROV 本身的狀態測量後，上傳至水 面，由 ROV 操作者研判後，掌握系統與環境後才能執行任務。ROV 本身的狀態 包括深度、離底高度、位置、傾斜角、艏向等；而環境狀況包括水溫、海底地形、 海底影像及還場障礙物等。因此系統需要很多感應器才能達成。包括有：壓力式 深度計、高度聲納(altimeter)、都卜勒聲納(Acoustic Doppler Current Profiler)、電子 式傾角儀(Inclinometer)、電子羅盤、溫度計、攝影機、環場聲納(scanning sonar)、 側掃聲納(side scan sonar)甚至多音束聲納(multibeam echo sounder)。這些感應器的 資料更新頻率大不相同，從不到一赫茲左右的環場聲納、數十赫茲的傾角儀、一 直到連續輸出的攝影機。而訊號的格式，有的為數位如環場聲納，有的為類比如 壓力計。資料量也大不相同，從每秒數個到數千個位元組都有。在資料特性歧異度高以及有限頻寬的限制下，如何將資料穩定且可靠地擷取、彙整及傳遞至水面 上的人機操作介面，是一項需要研究的課題。這個硬體架構的概念如圖 1。我們 計畫負責架構中下方框架中感應器的部分。而其他資料通訊或伺服控制器的建構 也是由本子計畫負責。 現在網路傳輸技術發達，傳輸速度快速，網路傳輸範圍幾乎遍及世界各個角落。 但目前能夠連上網際網路的硬體還是以電腦系統為主。一般的儀器設備或機器設 備因為不具備網路功能，所以無法連接到網際網路。這類的設備主要還是以 RS232 與外界溝通。雖然 RS232 的傳輸距離遠不及網際網路，大約只有 15 公尺的距離， 但是 RS232 有構造簡單、互通性高、應用軟體豐富等的優點。我們可以結合網際 網路長距離的傳輸與 RS232 短距離且方便的傳輸特性，使一般無法上網的儀器設 支援工作船 ● 載具施放回收機構 ● GPS定位系統 ●船位穩定系統 ●水下定位系統 主控台 (Console) ●人機介面 ●虛擬實境 電纜中繼系統 TMS
(Tether Management Sysmtem)
●纜繩張力控制系統 ●水密旋轉接頭 浮力控制系統 ●浮材 ●配重 ●重心控制 電力系統 ●電壓轉換 ●電源穩定 推進系統 ●推進器 ●運動控制系統 感測器系統 ●攝影機 ●燈光系 ●壓力/深度計 ●聲納系統 ●雷射定位 ●溫度計 鹽度計等、 機械臂/採樣系統 ●水密伺服馬達 ●機構設計 ●機械臂船體運動協調控制 運算及通訊系統 ●主控電腦 ●區域網路 ●電纜/光纖通訊 ●分散式運算 機架/水密艙 ●模組化機架 ●水密艙 ●流線型外罩 水面 以上 水面以下 電纜/光纜 電纜/光纜 圖 1：ROV 系統功能架構
備可以透過這樣的架構互傳資料，甚至達到遠端監看控制的目的。由於 ROV 是一 個比較昂貴的儀器，而且在使用時環境現場的資訊可能需要交由多種專家判斷 後，才能執行任務（如水底殘骸判定、深海生物觀察）。我們希望系統除了能提供 感應器資料的彙整，也希望藉著運用網際網路傳輸技術，讓使用者不需親自到現 場就可以監控 ROV 的狀態或是動作。而且透過網際網路的傳輸就可以將 ROV 最 新的狀態資訊即時上網，可以使儀器專家在遠端透過網際網路操控 ROV。我們希 望發展一個泛用型感應器資料彙整系統，提供多個通道(Channels)，讓不論是以序 列埠(Serial port)的形式連接，或者是需要經過類比數位轉換(A/D Conversion)後才 能使用的訊號簡易的硬體及通訊介面。而資料的傳遞也由彙整系統以封包(packet) 的形式傳送至水面的人機介面電腦。現在網際網路傳輸技術發達，頻寬逐年成長， 網際網路設備涵蓋的範圍更廣及世界各個角落。利用網路傳輸的技術，使用者除 了可以瞭解遠端電腦硬體設備上的資訊，也可以遠端遙控其他的硬體設備，這樣 的概念可以應用在工廠生產線遠端控制上，也可應用於 ROV 本體與水面上人機介 面操控電腦間的溝通。
RTLinux 即時控制器
ROV 上除了需要一個感應器整合系統之外，也需要一個運動控制器，以便執行如 定向(heading control)、或定深(depth control)等功能。不論是那一種運動控制演算 法，都要需要穩定的閉回路特性，這有賴於一個所謂的即時控制器(real-time controller)。目前建構控制系統的選擇為:(1)專用的 DSP（數位訊號處理器）及作業 系統(Operating system)，以 C 或組合語言撰寫控制程式；(2)以 PC 為硬體架構，以 DOS 為作業系統，以 C 或組合語言撰寫控制程式；(3) 以 PC 為硬體架構，不過以 Linux 為為作業系統，以 C 或組合語言撰寫控制程式。我們採用第三種方式因為， 為該作業系統為免費授權軟體，而且已有不少學術領域的使用者組成討論社群。 RTLinux 就是以 Linux 加以修改其系統核心，在原本的 Linux 核心和硬體間嵌入 RTLinux Kernel，並且將原本的 Linux 優先權設為最低，使得 RTLinux 的即時工作 (Real-Time Task)可以即時的被執行。也就是說 RTLinux 基本上是一個獨立的Linux Kernel RTLinux Kernel Hardware RT Ta -sk User Process Software Interrupts Hardware Interrupts Direct Hardware Access I/O 圖 2: RTLinux 核心的架構圖 RT-Scheduler RT-Task RT-Task
PIO Bi-Polar DA Bi-Polar AD RS232 Serial Port PC 104 壓力計 PZT 攝影機 推進器 聲納 圖 4: 系統架構圖 圖 3: PC104 及其 Add-On 卡
micro-kernel，而把原本的 Linux 作業系統當作其中的一部份，因此 RTLinux 可以 掌握所有的硬體資源。如圖 2為 RTLinux 核心的架構示意圖。RTLinux 作業系統 所執行的即時控制程式，可以由使用者自行設定執行序(thread)執行的週期時間。 藉由調整即時控制程式的執行序執行的週期時間，達到即時控制的要求。當執行 序執行的速度達到最快的狀況下，電腦的其它硬體周邊設備和軟體應用程式不會 因此而無法工作，仍然可以正常動作，如鍵盤、滑鼠、WWW 伺服器、FTP、telnet 等等，這就是 RTLinux 所能執行的極限即時控制週期。
系統架構
我們架構的 RTLinux 即時系統硬體由以下的元件組成：PC104 單板電腦，Transmeta Crusoe 800 MHz CPU, 256M RAM, 1G CF 儲存卡 RS 232 ×3 (com1, com2 及 com3), RS 485×1 (com4)
On-Board 16 bit DI/O
12 bit×8 CH, Bi-polar Add-On DA Output
在這塊主機板上，所有其他的 IO 都已經內建，因此如網路，鍵盤、多媒體等，或 USB 介面等都無須外加。因此系統的尺寸很小，如圖 3所示，體積約為 105mm × 116mm ×130mm。 DI/O 通常是被用來控制繼電器電子元件的開啟或是關閉，也可用來監控一個開關 目前的狀態。這可以用在燈光及可轉向水下攝影機的控制上；D/A 卡輸出命令電 壓值來控制推進器馬達的轉速；RS232 序列埠被使用來讓各式各樣的儀器與電腦 系統作傳輸溝通。以上這些硬體配置在工廠自動化的應用也相當普遍。目前我們 所整合的元件包括：PZT 可轉向攝影機，燈光、深度計、高度計、環場聲納等。 PC104 與水面上通訊採用 RS232 加上 Current Loop 轉換。Current Loop 可以抵抗較 多的雜訊，而且可以傳送超過 1000 公尺左右的距離。
5. 實驗
今年的實驗進度先就即時系統在中斷運算上的穩定性做探討。我們讓 DI/O 卡的 Output Port 在每一個中斷週期都轉換輸出狀態，在 5V 與 0V 間交替，因此可以由 示波器觀察到輸出為一個方波。然後逐漸增加系統即時控制的中斷頻率讓 DI/O 所 輸出的方波頻率越來越高，直到系統不穩定。這裏所指的系統不穩定，是指滑鼠、 鍵盤停止反應，視窗畫面停止更新，且無法由 TCP/IP 通訊命令 real-time 程式停止0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 x 10-4 -2 0 2 4 6 Channel 1 - 14kHz second Volt 圖 5: 以 8255 I/O 的一個 Port 輸出方 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 x 10-4 -2 0 2 4 6 Channel 1 - 8kHz second Volt 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 x 10-4 -2 0 2 4 6 Channel 2 - 7.98kHz second Volt 圖 6: 以 8255 I/O 的兩個 Port 輸出兩個 方波(8KHz 和 7.98KHz) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 x 10-3 -2 0 2 4 6 Channel 1 - 14kHz second Volt 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 x 10-3 -2 0 2 4 6 Channel 2 - 500Hz second Volt 圖 7: 以 I/O 的二個 Port 輸出兩個方 波.(14kHz and 500Hz) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Thread Scheduling (KHz) number of sin Critical Loading for RTLinux
圖 8: 不同的即時控制中斷頻率，系統所 能承受的最大負載值。 執行。就此我們得到的最高單一中斷程序的服務頻率約為 28KHz, 因此輸出之方波 應該為 14KHz。以數位示波器來量得實際的輸出波形，得到的是 14.04KHz 的方波 輸出，如圖 5為輸出的波形。這是非常精確的一個值，僅誤差 0.3%。 在這個實驗中，系統核心只處理一個執行序(thread)控制 IO 輸出。接下來的實 驗將讓系統核心控制兩個執行序，並各自使用不同但很接近即時控制的中斷頻 率，16KHz 和 15.96KHz。因此應該可以得到 8KHz 和 7.98KHz 的方波輸出。根據 數位示波器的量測顯示波形數據如圖 6。Channel 1 和 Channel 2 各自對應 8KHz 和 7.98KHz，而量測得到的數據為 8.025KHz 和 7.96KHz。誤差僅有 0.3%。這個實驗 目的是指出系統有能力可以處理兩個很接近的中斷頻率，但還是可以區隔出來。 另外一個很相似的實驗，是讓系統處理兩個相差很大的中斷頻率，28KHz 和 1KHz。結果如圖 7 所示。不過在示波器上我們可以觀察到在 500Hz 的方波上有些 小雜訊。找們推估原因為系統核心分別以兩個執行序執行 PI/O 的 Port A 和 Port B 輸出方波，因此當有一個 Port 輸出在轉換電壓值時，會影響到另一個 Port 輸出的 穩定，而有突出的脈衝出現。但這並不影響系統對即時控制的能力。 我們逐步增加 PI/O 輸出方波的實驗，系統所執行的工作相當的簡單，只是命 令 PI/O 卡輸出 On/Off 的狀態。為了了解系統可以處理多複雜的運算，接下來在系 統即時控制的中斷週期之間加上了 Sin(q)三角函數的運算。參數 q 是一個隨機值。 然後慢慢的增加 Sin(q)的運算次數直到系統變的不穩定。在機械手臂的控制上，需 要使用到大量的三角函數運算，因此我們找出系統在即時控制的中斷頻率下所能 承受的最多 Sin(q)負載的個數；當有複雜的函數要運算時，就可以推算系統能夠承 受多少個函數。實驗的結果如圖 8 所示。圖中顯示出設定的中斷頻率所能處理的 最大三角函數的數目。如果超過最大的三角函數數目，系統就會變的不穩定，甚 至當機。
6. 結論
在本年度計畫中，我們完成以 RTLinux 為平台建構一個原型資料彙整系統， 提供一個可以讓周邊設備擷取資料與及時控制程式運作的平台。在初步實驗中， 系統以一個執行序做即時控制時，可以得到系統即時控制中斷頻率的上限為 24KHz；而且系統不只可以執行兩個即時控制的中斷頻率相差極小的執行序，也可 以執行兩個中斷頻率相差很大的執行序；我們也找出系統在各種中斷週期設定 下，所能執行的最大運算負載值。這些資訊可以提供給下一階段運動控制器開發 子計畫作為基本設計參數。參考文獻
[1] Paul G. Backes and Gregory K. Tharp, The Web In-terface for Telesicience(WITS). In IEEE Int. Conf. on Robotics and Automat., New Mexico-April 1997.
[2] C. Sayers, A. Lai, and R. Paul, Visual Imagery for Subsea Teleprogramming, in IEEE Int. Conf. on Ro-botics and Automation, May 1995, pp.1567-1572.
[3] T. Sheridan, "Space teleoperation through time delay: Review and prognosis," IEEE Trans. Robot. Automat., vol. 9, pp. 592-606, Oct.
[4] 許友貞，"JAVA 在網路遠端遙控之應用"，國立中山大學海下技術研究所，2000。
[5] Sayers and et al, Teleprogramming for Subsea Teleop-eration Using Acoustic Communication, in the IEEE J. of Oceanic Engr. VOL. 23, NO. 1, JANUARY 1998.
[6] A. Braune and Janschek, Requirements to The Design of Local Automation Systems for Web-Based Tele-control, In 1st IFAC Conf. Telematics Applications in Automation and Robotics, Germany, 2001.
[7] A. Weaver, Monitoring and Control Using the Internet and Java, In Proc. of Industrial Electron Soc., pp. 1152-1158, 1999.
[8] R. Luo and et al, Desktop Rapid Prototyping System With Supervisory control and Monitoring Through Internet, in IEEE Trans. on Mechatronics, vol. 6, no. 4, pp. 399-409, 2001.
[9] http://ragib.hypermart.net/linux/
[10] http://www.gnu.org/philosophy/free-sw.html [11] http://fsmlabs.com/community/
