深海集矿机多处理器协同控制研究

第ｌ９卷第５期　２００８年１Ｏ月　中原工学院学报　Ｊ０ＵＲＮＡＩ　０Ｆ　ＺＨ（）ＮＧＹＵＡＮ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｖｏ１．１９　Ｎｏ．５　０ｃｔ．．２００８　

文章编号：１６７１—６９０６（２００８）０５—０００７—０３　

深海集矿机多处理器协同控制研究　

张　涛，崔忠华，杨　宇　

（中南大学，长沙４１００８３）　

摘要：　以深海采矿系统的控制作为研究背景，对多任务的分配进行了深入分析，针对多处理器协同控制在深海采矿　机应用中存在的问题，在考虑任务问同步的基础上提出了基于非对称多处理器（ＡＭＰ）的协同策略，并结合具体的任务　分配给出了系统的分层控制流程图．　关　键　词：　实时系统；协同控制；深海采矿　中图分类号：ＴＰ２４２．６　文献标识码：Ａ　

大洋采矿要求集矿机在水深６　０００　ｍ左右的海底　

软泥上行走，采集多金属结核矿石．为了适应深海底恶　

劣多变的环境，集矿机必须能够对周围状况的变化做　

出快速响应，以实现无故障连续作业Ｌ１］．深海集矿机实　

时系统多处理器协同控制，可以使系统处理器利用率　

最优，并满足系统实时任务的时限要求．协同的实质是　

有效利用有限资源，完成系统的控制任务，以保证系统　

的实时性．　

在当前信息化环境下，以网络为中心的协同模式　

受到关注并得到广泛应用¨２］．以任务和信息耦合的多　

处理器之间的协同控制，可以实现环境信息的协同感　

知和任务的协同作业．集矿机控制系统是一个多任务、　

强实时的系统，它接受上层（水面船只）的命令，在矿区　

按“Ｓ”型路线行走，要求能够避障和轨迹跟踪，并采集　

行进中的状态数据，反馈给上层系统．为此，系统硬件　

采用３片控制器完成实时控制任务，处理器之间以　

ＣＡＮ总线进行通信．针对集矿机的特点和要求，本文　

对其任务分配和协同控制问题进行了研究．　

１　任务划分　控制（下放回收控制和行走控制）、通讯（控制器间通讯　

和与上位机通讯）．在集矿机的任务中，既有周期性的，　

如行走作业、信号采样、通信等，也有非周期性的，如报　

警测试、避障、姿态调整等．因此，多处理器的任务分配　

应根据任务特点进行，既要保证每个处理器任务分配　

合理，也要保证每个周期任务的执行时间和调度周期　

合理．由于系统硬件结构特点，每块处理器均需完成相　

应的数据采集，３个处理器都将建立信号采样任务．任　

务的详细划分如图１所示．　

行　走　控　制　处　理　器　下　放　控　制　处　理　器　车体姿态调整　

左螺旋桨控制　

图像处理　

右螺旋桨控制　

信号采样　

ＣＡＮ总线通讯　通　讯　控　制　处　理　器　信号采样　

故障诊断　

上位机通讯　

报警测试　

灯调节控制　

ＣＡＮ总线通讯　

图１控制器任务分配　

深海集矿系统的控制包括下放、水下行走采矿作　行走控制处理器完成集矿机海底采矿作业任务，　

业、回收３个环节Ⅲ．完成的功能为信号采集、集矿机　因此将行走控制和集矿机采矿过程中执行机构的控制　

都安排在此处理器上．下放控制处理器主要是完成集　

收稿日期：２００８—０７—２Ｏ　基金项目：国际海底区域研究开发“十五”计划资助项目（ＤＹ１Ｏ５一Ｏ３一Ｏ２一Ｏ６）；国家重点基础研究发展规划资助项目（２００２ＣＢ３１２２０３）　作者简介：张涛（１９６９一），男，湖南长沙人，副教授．　一一～一一一一一一

一・　８　・　中原工学院学报　２００８年第ｌ９卷　

矿机下放回收过程作业，左右螺旋桨的控制和车体姿　

态调整均由此处理器完成；同时在集矿机采矿作业过　

程巾，需要进行时间较长的图像处理，也由该处理器完　

成．通讯控制处理器负责与上位机通讯，同时也要完成　

信号分析、故障诊断、信号灯调节等任务．３块处理器　

的任务分配原则是既能保证任务分配合理，又能够提　

高系统的实时性．　

２　非对称多处理器架构　

在实时系统中，多个处理器一般有２种架构可供　

选择，即对称多处理器（ＳＭＰ，Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ　Ｍｕｌｔｉｐｒｏ—　

ｃｅｓｓｏｒ）和非对称多处理器（ＡＭＰ，Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ　Ｍｕｔ—　

ｔｉｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）　ｊ．在对称多处理器架构中，多处理器共　

享系统资源，负载均衡，从而可以极大地提高整个系统　

的数据处理能力．然而，此架构在切换任务时，需要保　

护当前任务的执行现场，这将带来很大的内存消耗和　

处理时间．所以，深海集矿机的控制架构采用非对称多　

处理器设计．非对称多处理器（ＡＭＰ）系统由主处理器　

和从处理器组成，主处理器能运行操作系统，是系统的　

核心，从处理器完成由用户定义的指定功能．在这种结　

构中，资源和任务由不同的微处理器进行管理，与操作　

系统核心有关的操作由主处理器完成，包括系统调用、　

Ｉ／０控制、任务调度等，而从处理器则完成指定的用户　

任务．其架构框图如图２所示．　

图２　非对称多处理器（ＡＭＰ）架构示意图　主处理器将所有任务分配指定到固定的处理器上　

后，每个处理器上具有一定数量的任务需要进行调度，　

然后任务协同策略针对每个处理器采用单处理器的调　

度算法．在３个处理器之间，需要考虑的是尽量避免处　

理器之间的任务关联问题．因此，系统主处理器在任务　

分配过程中要考虑处理器之问的任务同步问题以减少　

耦合．在集矿机正常的下放和回收作业过程中，以及集　

矿机在水下正常的行走作业和采矿作业的过程中，任　

务协同按照重要程度进行．在集矿机出现故障以及需　

要避障的时候，系统需要根据处理器的运算能力适当　停止部分任务的执行，以保证最紧迫任务的迅速完成．　

３　协同策略　

深海集矿机工作于深海底，环境复杂多变，表现为　

复杂的未知地表特征及海底洋流等多种形式的未知扰　

动．集矿机在行走过程中需要实时避障和调整姿态，以　

避免损坏，并提高采矿效率和持续工作能力．目前，多　

处理器的协同策略主要分为协商策略、反射策略、集成　

策略３种　．　

协商策略具有可控性和稳定性较好等优点，但是　

反应慢，当系统处于高度动态化的环境时，延迟很大．　

因此，它对于具有高实时性要求的集矿机控制系统并　

不适宜．反射策略基于反射思想原理，适用于动态环　

境，反应速度较快．然而，每个行为都有自己的目标，由　

一个动作引发的反射行为可能会引发其他的动作，而　

集矿机的行为有时是不可预测的．因此，反射策略也并　

不适合运用到集矿机上．集成策略综合了协商策略和　

反射策略的优点，具有可控性和稳定性好，适用于动态　

环境，反应速度较快等特点．　

本系统采用集成策略，在综合协商策略与反射策　

略优点的基础上，开发了一套深海底采矿集矿机控制　

软件．系统的分层控制示意图如图３所示．整个控制系　

统分为３层：①执行层：整个采矿集矿机硬件的接口部　

分．包括各种传感器和执行机构．传感器与上层控制器　

及该层其他组成部分相连接．执行机构负责与采矿集　

矿机各执行机构接口相连；②控制层：采矿集矿机的低　

阶伺服控制．集矿机采用液压传动，因此，低阶伺服控　

制主要是针对左右履带的电液比例方向阀进行ＰＩＤ　

调节；③规划层：采矿集矿机高层控制器．对整个系统　

进行统筹，包括任务规划、系统监控及指令发送和信息　

反馈等．　

４　结　语　

深海底采矿具有重要的战略意义和科学意义．深　

海集矿机Ｔ作于６　０００　ｍ深海底的复杂未知环境中，　

整个系统的控制精度和质量直接关系到深海采矿的效　

率和效益．本文针对深海集矿机控制系统基本控制要　

求和海底采矿过程中集矿机工作特点，对系统控制的　

多任务进行了划分，并结合协同控制策略给出了详细　

的控制流程．　

系统硬件设计采用基于非对称多处理器（ＡＭＰ）　

的多处理器系统架构，这种设计可能会导致处理器之　第５期　张涛等：深海集矿机多处理器协同控制研究　・　９　・　

…，…分层　

｛　规划崎视单元　｝．　・－＿｛　环境模型　卜　－　・　－一　－　

●　｛　集矿头Ｆ＝爿，ｆｉ体姿态　信号灯Ｆ：　日标顺序　

＋●　ｔ　●　●　●　Ｉ　任务髓视单元　Ｈ　任务监视单元　Ｈ　任务监视单元　卜－一－……・一　

……．｛．王一ｉ　二二　…．土．　…七………－七．　…　……．．　

集　头控制　：　Ｉ车体姿态控制｝：　速度控制　：　

一．Ｌ一…一一一…一一…一一一—．　

图３　软件系统结构流程图　间的负载不平衡，出现某一处理器负载过大而其他处　

理器十分空闲的情况．对于采用对称多处理器（ＳＭＰ）　

参考文献：　划层　

＝　＿Ｉ　●　：＝　●　…～　ｉ控制层　

一一一…一…一…一，＿Ｌ…一一　ｌ执行层　

的多处理器架构，必须考虑任务间的频繁切换，这种架　

构还有待进～步研究．　

［１］　简曲．大洋采矿集矿机的研究［Ｊ］．中国有色金属学报，１９９８（ｓ２）：７８３—７８６．　［２］　周瑞，吴雯漫，罗广文．自主多无人机的分散化协同控制［Ｊ］．航空学报，２００８，２９（５）：２６—３２．　［３］　冯雅丽，张文明，李浩然．深海采矿系统设计ＥＪ］．北京工业大学学报，２０００，２６（１）：９１—９７．　［４］Ｌｉｕ　Ｊ　ｗ　ｓ．Ｒｅａｌ—Ｔｉｍｅ　Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｍ］．Ｎｅｗ　Ｊｅｒｓｅｙ：Ｐｒｅｎｔｉｃｅ—Ｈａｌｌ　Ｉｎｃ．，２０００．　［５］　沈悦明，陈启军．一种基于任务的机器人全局并行算法研究及实现［Ｊ］．机器人，２００３，２５（６）：４９５—５００．　

Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｍｕｌｔｉ—ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ　ｏｆ　

Ｄｅｅｐ　Ｓｅａｂｅｄ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　

ＺＨＡＮＧ　Ｔａｏ，ＣＵＩ　Ｚｈｏｎｇ—ｈｕａ，ＹＡＮＧ　Ｙｕ　

（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｓｏｕｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００８３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｒｅｇａｒｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｏｃｅａｎ　ｍｉｎｉｎｇ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ａｓ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｂｊｅｃｔ，ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｄｅｅｐ—　

ｓｅａｂｅｄ　ｍｉｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｔａｓｋｓ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ，ａ　ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＭＰ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｉｓ　

ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ａ　ｆｌｏｗｃｈａｒｔ　ｏｆ　ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ　ｆｏｒ　ａ　ｆａｓｋ　ａｓｓｉｇｎ　ｍｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｒｅａｌ～ｔｉｍｅ　ｓｙｓｔｅｍ；ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｄｅｅｐ～ｓｅａ　ｍｉｎｉｎｇ　一　一●　．　＿．．　．　

；

一　一