CN100403191C

CN100403191C - 载人潜水器应急运动控制装置

Info

Publication number: CN100403191C
Application number: CNB2004100506560A
Authority: CN
Inventors: 郭威; 王晓辉
Original assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Current assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Priority date: 2004-10-22
Filing date: 2004-10-22
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2024-10-22
Also published as: CN1763664A

Abstract

本发明公开一种载人潜水器应急运动控制装置，包括单杆切换电路和应急运动控制电路两部分，单杆切换电路将单杆信号分解成三自由度应急通路和计算机通路；应急运动控制电路将来自单杆切换电路的三自由度控制信号进行等幅放大、线性叠加，并对控制信号进行推力分配，通过应急运动控制电路中的电位器调节三个自由度的推力分配系数和推进器的正反推力特性，最后通过继电器切换再将应急控制信号与计算机控制信号进行分开处理，最终实现潜水器的三自由度的应急运动控制。该载人潜水器应急运动控制装置，结构简单，尺寸小，重量轻，调节方便，可靠性高，成本低，功能强。本发明亦可用于其它水下机器人的应急运动控制中。

Description

载人潜水器应急运动控制装置

技术领域

本发明涉及水下机器人运动控制技术，具体说是一种采用纯硬件的方式，实现载人潜水器的三自由度的应急运动控制。

技术背景

载人潜水器是运载科学家、工程技术人员和各种电子装置、特种设备快速、精确地到达各种深海复杂环境，进行高效的勘探、科学考察和开发作业的设备。它是人类实现开发深海、利用海洋的一项重要技术手段，是当今深海高技术发展的前沿之一。

载人潜水器的运动由布置在潜水器上的7台推进器来产生，其中艏部1台，舯部2台(左、右各一台)，艉部4台(水平左、右和垂直上、下方向各一台)，具体的参见图1和图2。通常情况，潜水器的运动是由计算机控制上述7台推进器来完成的，如潜水器的下潜/上浮、前进/后退、转向、纵倾和侧移等运动控制。载人舱是载人球壳的内部空间，其空间狭小，舱内除了有驾驶员和科学家外，还有计算机、仪器仪表等控制设备和科考设备，舱内湿度非常大，环境条件相对比较恶劣，而且用来进行航行控制的计算机系统本身的任务也比较繁重，尽管采用了多种措施，但也存在计算机工作异常甚至不能工作等紧急情况，这会导致对潜水器的运动操作将失去控制，这不但会威胁到潜水器本体的安全，更重要的是威胁载人舱内驾驶员和科学家的生命安全，可想而知，后果是不堪设想的。

发明内容

为防止上述危险情况发生，发明的目的是提供一种简单、实用的潜水器应急运动控制装置，该装置能使潜水器在不用航行控制计算机参与的情况下，也就是说无论航行控制计算机是否工作正常，只要切换到应急控制状态，该应急控制装置仍能对潜水器的三个主要自由度进行运动控制，即下潜/上浮、前进/后退和转向控制。

为了实现上述目的，本发明的技术方案包括单杆切换电路和应急运动控制电路两部分，单杆切换电路将单杆信号分解成三自由度应急通路和计算机通路；应急运动控制电路将来自单杆切换电路的三自由度控制信号进行等幅放大、线性叠加，并对控制信号进行推力分配，通过应急运动控制电路中的电位器调节三个自由度的推力分配系数和推进器的正反推力特性，最后通过继电器切换再将应急控制信号与计算机控制信号进行分开处理，最终实现潜水器的三自由度的应急运动控制；

其中：单杆切换电路包括辅操纵单杆、主操纵单杆、第1～3继电器，所述辅操纵单杆、主操纵单杆上分别设有电位器和开关，每个电位器的两端串联1个电阻，电阻的另一端通过第1～2继电器的常开触点与电源相连，第1～3电位器的滑动端与第3继电器触点的公共端相连，第3继电器的常闭触点与外部计算机采集模块相连，其常开触点通过水密电缆将信号连至应急运动控制电路；

所述应急运动控制电路包括等幅放大电路，线性叠加电路，推力器正反推力特性调整电路和继电器切换电路，其中：等幅放大电路包括第1～5运算放大器，其输入信号来自单杆切换电路的第3继电器的常开触点，输出端分别接到线性叠加电路和推力器正反推力特性调整电路；线性叠加电路包括第6～9运算放大器和第15～22电位器，其中第6～9运算放大器的输入端通过第15～22电位器的滑动端与等幅放大电路的第1～5运算放大器的输出端相连，其输出端接到推力器正反推力特性调整电路；推力器正反推力特性调整电路包括第1～14电位器及相连的第1～14二极管，其中：所述电位器分别与等幅放大电路及线性叠加电路中的运算放大器输出端相连，第1～14电位器的滑动端分别与第1～14二极管的阳极或阴极端相连，并将输出信号接到继电器切换电路；继电器切换电路由第4～5继电器组成，第4～5继电器的常开触点接推力器正反推力特性调整电路的输出，而常闭触点接计算机控制信号，其公共端分别输出到7台推进器的控制端。

本发明具有如下优点：

1.本发明在应急情况下输出的控制信号作用在潜水器的7台推进器上，实现对潜水器的三个主要自由度-下潜/上浮、前进/后退和转向的控制。

2.采用本发明应急运动控制电路中的第9～12电位器和第15～18电位器的调整，可对潜水器上的4台艉部推进器和2台舯部推进器进行推力的一致性调节。

3.采用本发明应急运动控制电路中的第1～14二极管和第1～14电位器的调整，可实现对各个推进器的正反推力特性进行推力的一致性调节。

4.采用本发明单杆切换电路和应急运动控制电路中的第3～5继电器的切换，可实现应急控制与计算机控制分开控制潜水器的目的。

5.采用本发明应急运动控制电路中的第19～22电位器的调整，可灵活调节三个自由度的推力分配系数。

6.本发明巧妙的利用了两单杆上的第1～2开关对单杆的输出信号进行限制，从而提高了潜水器在操作上的安全性。

7.本发明的电路设计简单、实用、可靠、成本低且功能全，还可以应用于水下机器人的运动控制中。

附图说明

图1为现有技术中的载人潜水器结构示意图(主视图)。

图2为图1的俯视图。

图3为本发明单杆切换电路原理图。

图4为本发明应急运动控制电路原理图。

图5为本发明应急运动控制装置结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本发明包括单杆切换电路和应急运动控制电路两部分，单杆切换电路将单杆信号分解成三自由度应急通路和计算机通路；应急运动控制电路将来自单杆切换电路的三自由度控制信号进行等幅放大、线性叠加，并对控制信号进行推力分配，通过应急运动控制电路中的电位器调节三个自由度的推力分配系数和推进器的正反推力特性，最后通过继电器切换再将应急控制信号与计算机控制信号进行分开处理，最终实现潜水器的三自由度的应急运动控制。

图1、2为现有技术中载人潜水器结构示意图的主视图和俯视图，其中：图1中包括艏部转向推进器1、艉部垂上推进器2、载人球壳3、艉部垂下推进器4；图2中包括舯部右推进器5、艉部水平右推进器6、舯部左推进器7、艉部水平左推进器8。本发明的载人潜水器应急运动控制装置通过应急运动控制电路中的JCO1和JCO2端子控制所述的7台推进器，它由单杆切换电路(参见图3)和应急运动控制电路(参见图4)组成，其中：

单杆切换电路包括辅操纵单杆、主操纵单杆、第1～3继电器K1～K3，所述辅操纵单杆上设有第1电位器W1(用于潜水器下潜/上浮调节)、第4电位器W4(用于潜水器纵倾调节)和第1开关S1(即辅单杆开关)；所述主操纵单杆上设有第2电位器W2(用于潜水器前进/后退调节)、第3电位器W3(用于潜水器转向调节)、第5电位器W5(用于潜水器左移/右移调节)和第2开关S2(即主单杆开关)；每个电位器的两端串联1个电阻(第1～10电阻R1～R10)，电阻的另一端通过第1～2继电器K1～K2与±12V电源相连，第1电位器W1、第2电位器W2、第3电位器W3的滑动端与第3继电器K3的触点公共端相连，第3继电器K3的常闭触点经JMO1端子与外部计算机采集模块相连，第3继电器K3的常开触点与JMO2端子相连，通过水密电缆将信号连至应急运动控制电路中的JCI3端子上，这样经过第3继电器K3的切换，可使单杆信号被切换成计算机采集模块的采集信号和输出到应急运动控制电路的信号(分解成三自由度应急通路和计算机通路)；两操纵单杆上设有的第1～2开关S1～S2，它们分别与单杆切换电路的第1～2继电器K1～K2的线圈相连。

应急运动控制电路包括等幅放大电路，线性叠加电路，推力器正反推力特性调整电路和继电器切换电路，其中：等幅放大电路主要由第1～5运算放大器U1～U5来完成，其输入信号来自单杆切换电路的JMO2端子(该端子与单杆切换电路的第3继电器K3的常开触点相连)，再通过应急运动控制电路JCI3端子与第1～5运算放大器U1～U5相连，进行等幅放大，其第1～3运算放大器U1～U3进行同相放大，而第4～5运算放大器U4～U5进行反相放大，所述运算放大器U1～U5的输出端接到线性叠加电路，同时第2～3运算放大器U2～U3的输出端又接到推力器正反推力特性调整电路；线性叠加电路包括第6～9运算放大器U6～U9和第15～22电位器P15～P22，其中第6～9运算放大器U6～U9的输入端通过第15～22电位器P15～P22的滑动端与等幅放大电路的第1～5运算放大器U1～U5的输出端相连，其输出端接到推力器正反推力特性调整电路；推力器正反推力特性调整电路由第1～14电位器P1～P14及相连的第1～14二极管D1～D14组成，其中：第1～8电位器P1～P8与第6～9运算放大器U6～U9的输出端相连，第9～12电位器P9～P12与第2运算放大器U2的输出端相连，第13～14电位器P13～P14与第3运算放大器U3的输出端相连，所述电位器P1～P14的滑动端分别与第1～14二极管D1～D14的阳极或阴极端相连；第1二极管D1的阴极与第2二极管D2的阳极短接，同样第3二极管D3与第4二极管D4、第5二极管D5与第6二极管D6、第7二极管D7与第8二极管D8、第9二极管D9与第10二极管D10、第11二极管D11与第12二极管D12、第13二极管D13与第14二极管D14的阴极与阳极也分别两两短接，然后再输出到继电器切换电路。继电器切换电路由第4～5继电器K4～K5组成，第4～5继电器K4～K5的常开触点接推力器正反推力特性调整电路的输出，而常闭触点经JCI 1和JCI2端子接计算机控制信号，第4～5继电器K4～K5的公共端经JCO1、JCO2分别输出到7台推进器的控制端；通过所述的第4～5继电器K4～K5进行切换(将应急控制信号与计算机控制信号进行分开处理)，达到应急控制与计算机控制分开对潜水器进行运动控制的目的。

本发明工作原理如下：

如附图3、5所示，潜水器的操作是通过控制主操纵单杆和辅助操纵单杆来完成的。主操纵单杆由操作手柄控制的第2电位器W2、第3电位器W3、第5电位器W5和第2开关S2构成，每个电位器控制一个自由度，即控制潜水器的前进/后退，左移/右移及转向。辅助单杆主要由操作手柄控制的第1电位器W1、第4电位器W4和第1开关S1构成，这两个电位器控制潜水器的下潜/上浮和纵倾运动。单杆上各个电位器的两端与单杆切换电路中的电阻(R1～R10)串联，并通过第1～2继电器K1～K2的常开触点与-12V～+12V电源相连，串联电阻的目的是保证所述五个电位器的输出信号限定在-10V～+10V之间。由于潜水器的剧烈摇晃或人为刮碰操纵单杆而使操纵单杆产生非人为的信号输出，导致潜水器产生不确定性运动，为了防止这种危险情况发生，本发明利用两操纵单杆上的第1～2开关S1～S2，分别去控制第1～2继电器K1～K2，当操作单杆时，必须先按下相应单杆上的第1或2开关S1或S2，使第1或2继电器K1或K2吸合，单杆上电位器的两端得电，这时操作单杆，使单杆上的电位器的滑动端输出控制信号。每个单杆上的电位器都带有中心复位抽头，这个中心抽头都接到单杆切换电路中的模拟地，保证单杆回中心位置时，各个电位器的输出为零，即保证单杆在回中心位置时，潜水器不会运动。应急控制只需要下潜/上浮、前进/后退及转向控制，这3路单杆上的第1～3电位器W1～W3的滑动端分别通过单杆切换电路中的接线端子JB1、JB5和JB7的第4脚与第3继电器K3的第3、4和13脚相连(均为第3继电器K3的触点公共端)，第3继电器K3的常闭触点连单杆切换电路的JMO1端子，第3继电器K3的常开触点连单杆切换电路中的JMO2端子。正常情况，单杆的控制信号通过端子JMO1始终与计算机采集模块相连，这样保证了计算机控制的通路；当系统处于应急操作时，第3继电器K3动作，3路单杆信号通过接线端子JMO2经水密电缆送到应急运动控制电路中的接线端子JCI3上。

如附图4、5所示，所述潜水器的前进/后退运动需艉部4台推进器来共同完成；下潜/上浮运动需舯部右推进器5和舯部左推进器7和艉部垂上推进器2与艉部垂下推进器4共4台推进器进行推力分配来完成，若只使用舯部右推进器5和舯部左推进器7来实现下潜/上浮运动，将使潜水器产生纵倾力矩，严重时会使潜水器倾翻，这非常危险，因此在下潜/上浮运动中，将使用艉部垂上推进器2和艉部垂下推进器4来配合；转向运动是通过艏部转向推进器1和艉部水平左推进器8、艉部水平右推进器6共同配合来完成，达到快速响应的目的。

由于从单杆切换电路JMO2端子过来的3个自由度的控制信号的带载能力非常弱，为增强这3个信号的驱动能力，本发明采用第1～5运算放大器U1～U5对这3个信号进行等幅放大。由于推进器的推力特性存在差异，即同一控制信号作用在不同的推进器上会产生不同的推力，这会造成潜水器在前进/后退及下潜/上浮时产生不必要的转向、横倾或纵倾。为了克服上述缺点，本发明采用第15～18电位器P15～P18对前进/后退信号进行微调，使4台艉部推进器对来自载人舱的前进/后退信号，产生相同的推力，这样不会在操作潜水器前进/后退运动时，产生不必要的转向或纵倾运动。同理2台舯部推进器的推力一致性是通过第9～12电位器P9～P12来完成。潜水器在下潜/上浮运动时，除了舯部2台推进器还需艉部垂上推进器2和艉部垂下推进器4共同配合来完成，因此它们之间存在推力分配关系，本发明采用第19～20电位器P19～P20来调节它们之间的推力分配系数，使2台舯部推进器产生的推力与艉部垂上推进器2和艉部垂下推进器4产生的推力之比为0.68；同样转向运动时需要艏部转向推进器1和艉部水平左推进器8与艉部水平右推进器6共同来完成，本发明采用第21～22电位器P21～P22来调节它们之间的推力分配系数，使艏部转向推进器1产生的推力与艉部水平左推进器8和艉部水平右推进器6产生的推力之比为1.31。由于潜水器的下潜/上浮和转向运动时，需要4台艉部推进器，而潜水器的前进/后退运动也使用这4台推进器，因此这3个自由度的运动又存在在线性叠加关系，本发明采用第6～9运算放大器U6～U9来实现。第4～5运算放大器U4～U5用来对JCI3中的转向和下潜/上浮控制信号取反，因为4台艉部推进器在配合下潜/上浮运动和转向运动时，艉部水平左推进器8和艉部水平右推进器6、艉部垂上推进器2和艉部垂下推进器4运动始终相反，这样才能使艉部产生转向和垂直上、下的力和力矩，并配合2舯部推进器和艏部转向推进器1完成下潜/上浮和转向运动。由于推进器的正反推力特性不同，通常反向推力是正向推力的0.7倍，如果对此不加以控制，会造成潜水器的转向和下潜/上浮运动在主对称轴上有分力，结果会导致潜水器在转向运动时有前进的运动，造成转向需要很大的转弯半径；同样在下潜/上浮运动时会非垂直的斜向运动，这样对潜水器操纵的难度增大。为了消除上述影响，本发明采用第1～14电位器P1～P14与之相串联的第1～14二极管D1～D14的方式加以调整，使反向控制电压是正向控制电压的1.42倍，从而间接的达到调整推进器正反推力特性一致的目的，最后输出7路推进器控制信号。这7路推进器控制信号与第4～5继电器K4～K5的常开触点相连，它们分别对应第4继电器K4的第7、8、9、10管脚和第5继电器K5的第7、8、9管脚。当系统处于应急控制时，第4～5继电器K4～K5吸合，控制信号通过K4～K5继电器的常开触点送到接线端子JCO1和JCO2上，从而控制潜水器上的7台推进器(艉部垂上推进器2、艉部垂下推进器4、艉部水平左推进器8、艉部水平右推进器6、舯部左推进器7、舯部右推进器5和艏部转向推进器1)，使潜水器产生三个自由度的运动。

当潜水器未切换到应急控制时，应急运动控制电路中的三自由度控制信号处于悬空状态，如不加以处理，会在应急控制电路的输出端产生不确定的控制信号，尽管这些信号此时未与推进器相连，但是当系统切换到应急控制时，由于单杆切换电路中的第3继电器K3从常闭触点转到常开触点的过程中，应急控制电路的输入悬空，而应急运动控制电路中的第4～5继电器K4～K5若动作时间比第3继电器K3快的话，会使应急控制电路输出不确定的信号，这些信号有可能对潜水器造成瞬间冲击，这非常危险，为了防止发生这种情况，在应急运动控制电路中的3自由度信号的输入端一JCI3端子的1、2和3脚对地加3个的电阻(第11～13电阻R11～R13，这3个电阻的阻值要远远大于控制信号的输出阻抗)，这样保证了应急控制电路在单杆切换电路中的第3继电器K3未切换到稳态时，应急控制电路的输出不会对潜水器的运动造成影响，而当所述继电器都切换到位时，由于3自由度控制信号的输出阻抗远小于这3个电阻的阻值，因此控制信号不会受到影响。

本发明既可以在载人潜水器上应用，也可以在其它类型的水下机器人的运动控制中应用。

实施例2

与实施例1不同之处在于：为了防止第3～5继电器K3～K5在切换的过程中，应急运动控制电路输出不确定控制信号，而造成潜水器的非受控性运动，在等幅放大电路的信号输入端对地加3个电阻(第11～13电阻R11～R13)。

Claims

1.一种载人潜水器应急运动控制装置，其特征在于：包括单杆切换电路和应急运动控制电路两部分，单杆切换电路将单杆信号分解成三自由度应急通路和计算机通路；应急运动控制电路将来自单杆切换电路的三自由度控制信号进行等幅放大、线性叠加，并对控制信号进行推力分配，通过电位器调节三个自由度的推力分配系数和推进器的正反推力特性，最后通过继电器切换再将应急控制信号与计算机控制信号进行分开处理，最终实现潜水器的三自由度的应急运动控制；

单杆切换电路包括辅操纵单杆、主操纵单杆、第1～3继电器(K1～K3)，所述辅操纵单杆、主操纵单杆上分别设有电位器和开关，每个电位器的两端串联1个电阻，电阻的另一端通过第1～2继电器(K1～K2)与电源相连，第1～3电位器(W1～W3)的滑动端与第3继电器(K3)的触点公共端相连，第3继电器(K3)的常闭触点与外部计算机采集模块相连，其常开触点通过水密电缆将信号连至应急运动控制电路；

所述应急运动控制电路包括等幅放大电路，线性叠加电路，推力器正反推力特性调整电路和继电器切换电路，其中：等幅放大电路包括第1～5运算放大器(U1～U5)，其输入信号来自单杆切换电路的第3继电器(K3)的常开触点，输出端分别接到线性叠加电路和推力器正反推力特性调整电路；线性叠加电路包括第6～9运算放大器(U6～U9)和第15～22电位器(P15～P22)，其中第6～9运算放大器(U6～U9)的输入端通过第15～22电位器(P15～P22)的滑动端与等幅放大电路的第1～5运算放大器(U1～U5)的输出端相连，其输出端接到推力器正反推力特性调整电路；推力器正反推力特性调整电路包括第1～14电位器(P1～P14)及相连的第1～14二极管(D1～D14)，其中：所述电位器分别与等幅放大电路及线性叠加电路中的运算放大器输出端相连，第1～14电位器(P1～P14)的滑动端分别与第1～14二极管(D1～D14)的阳极或阴极端相连，并将输出信号接到继电器切换电路；继电器切换电路由第4～5继电器(K4～K5)组成，第4～5继电器(K4～K5)的常开触点接推力器正反推力特性调整电路的输出，而常闭触点接计算机控制信号，其触点公共端分别输出到7台推进器的控制端。

2.按照权利要求1所述载人潜水器应急运动控制装置，其特征在于：所述辅操纵单杆、主操纵单杆两操纵单杆上设有的第1～2开关(S1～S2)分别与单杆切换电路的第1～2继电器(K1～K2)的线圈相连。

3.按照权利要求1所述载人潜水器应急运动控制装置，其特征在于：所述等幅放大电路中第1～3运算放大器(U1～U3)为同相放大电路，而第4～5运算放大器(U4～U5)为反相放大电路，所述运算放大器(U1～U5)的输出端接到线性叠加电路，同时第2～3运算放大器(U2～U3)的输出端又接到推力器正反推力特性调整电路。

4.按照权利要求1所述载人潜水器应急运动控制装置，其特征在于：其中所述推力器正反推力特性调整电路中第1二极管(D1)的阴极与第2二极管(D2)的阳极短接，同样第3二极管(D3)与第4二极管(D4)、第5二极管(D5)与第6二极管(D6)、第7二极管(D7)与第8二极管(D8)、第9二极管(D9)与第10二极管(D10)、第11二极管(D11)与第12二极管(D12)、第13二极管(D13)与第14二极管(D14)的阴极与阳极也分别两两短接，然后再输出到继电器切换电路。

5.按照权利要求1所述载人潜水器应急运动控制装置，其特征在于：所述等幅放大电路的信号输入端对地加设有电阻。

6.按照权利要求1所述载人潜水器应急运动控制装置，其特征在于：所述推力分配系数为：2台舯部推进器产生的推力与艉部垂上推进器(2)和艉部垂下推进器(4)产生的推力之比为0.68；艏部转向推进器(1)产生的推力与艉部水平左推进器(8)和艉部水平右推进器(6)产生的推力之比为1.31。

7.按照权利要求1所述载人潜水器应急运动控制装置，其特征在于：所述推进器反向控制电压是正向控制电压的1.42倍。