CN101508334A

CN101508334A - 混合型水下自主航行器分布式控制系统

Info

Publication number: CN101508334A
Application number: CNA2009100682300A
Authority: CN
Inventors: 王树新; 孙秀军; 王晓鸣; 武建国; 王延辉
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2009-03-23
Filing date: 2009-03-23
Publication date: 2009-08-19

Abstract

本发明公开了一种混合型水下自主航行器分布式控制系统，包括浮力驱动模块，横滚调节模块、俯仰调节模块、能源和控制系统，意外抛载模块，尾舵转向模块和螺旋桨推进模块，设置在主舱外底部机翼根部的流量计，安装在敞水舱背部的无线通讯及GPS定位模块，设置在头部罩下侧的高度计、压力计和温度计，设置在主舱内部控制系统上的电子罗盘，所述控制系统采用基于CAN总线的多主分布式控制体系结构。本发明按照混合型水下自主航行器的功能单元设置不同的控制节点，可以简化各控制节点的编程，提高各控制节点的实时响应能力；并且单个节点的故障不影响整个控制系统的工作，增强了系统的可靠性；方便功能节点的扩充。

Description

混合型水下自主航行器分布式控制系统

技术领域

本发明涉及自动化控制领域，特别涉及一种混合型水下自主航行器分布式控制系统。

背景技术

为了保护海洋环境，高效利用海洋资源，海洋探测必不可少。水下自主滑翔器(Underwater Autonomous Glider)和水下自主航行器(Underwater Autonomous Vehicle)以及集两者功能于一身的混合型水下航行器(Hybrid Autonomous Underwater Vehicle)作为海洋探测传感器的载体，他们的重要性日显突出。目前，三者的控制系统一般采取单CPU(中央处理单元)或主从结构的多CPU方案。单CPU的控制系统，需要把航行器所有的动作控制和信息处理程序放在一个CPU中完成，这样势必增加CPU的负担，降低系统响应的实时性；主从结构的控制系统，从属CPU不能自主决策，它的判断需要提交决策层，这就势必降低了系统的实时响应能力，而且主从结构的控制系统不方便功能拓展。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种混合型水下自主航行器分布式控制系统，该控制系统提高了各控制节点的实时响应能力，增强了系统的可靠性，方便了功能节点的拓展。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种混合型水下自主航行器分布式控制系统，包括前舱内部固定安装浮力驱动模块，主舱内部固定安装横滚调节模块、俯仰调节模块、能源和控制系统，敞水舱内部安装意外抛载模块，尾舱内部固定安装尾舵转向模块和螺旋桨推进模块，设置在主舱外底部机翼根部的流量计，安装在敞水舱背部的无线通讯及GPS定位模块，设置在头部罩下侧的高度计、压力计和温度计，设置在主舱内部控制系统上的电子罗盘，所述控制系统采用基于CAN总线的多主分布式控制体系结构。

所述控制系统采用基于μC/0S的多任务实时操作系统。

所述控制系统由主控节点、传感器节点、AUV功能节点、意外处理节点、滑翔功能节点组成。

所述控制系统节点的CAN指令优先级从高到低分别为意外处理节点、主控节点、传感器节点、AUV功能节点和滑翔功能节点，AUV功能节点与滑翔功能节点CAN指令优先级相同。

本发明具有的优点和积极效果是：按照混合型水下自主航行器的功能单元设置不同的控制节点，可以简化各控制节点的编程，提高各控制节点的实时响应能力；并且单个节点的故障不影响整个控制系统的工作，增强了系统的可靠性；方便功能节点的扩充；还可以简化舱内空间的走线。

附图说明

图1是应用本发明的混合型水下自主航行器外观图；

图2是应用本发明的混合型水下自主航行器功能模块与传感器布局图；

图3是应用本发明的混合型水下自主航行器前视图；

图4是本发明的功能结构示意框图；

图5是本发明各节点的功能框图。

图中：1、头部罩，2、前舱，3、主舱，4、敞水舱，5、尾舱，6、机翼，7、浮力驱动模块，8、横滚调节模块，9、俯仰调节模块，10、电池包，11、控制系统，12、无线通讯与GPS定位模块，13、尾舵转向模块，14、螺旋桨推进模块，15、意外抛载模块，16、电子罗盘TCM3，17、流速计，18、压力计，19、温度计，20、高度计。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图5，前舱2内部固定安装浮力驱动模块7，主舱3内部固定安装横滚调节模块8、俯仰调节模块9、能源系统(由电池包10和变压稳流保险电路组成)和控制系统11，敞水舱4内部安装意外抛载模块15，尾舱5内部固定安装尾舵转向模块13和螺旋桨推进模块14。设置在主舱3外底部机翼9根部附近的流速计17；安装在敞水舱4背部的无线通讯及GPS定位模块12；设置在头部罩1下侧的压力计18、温度计19和高度计20；设置在主舱3内部控制系统11上的电子罗盘(TCM3)16。

所述的能源系统由24伏镍氢电池包、24伏锂离子电池包、48伏镍氢电池包和相应的变压稳流保险电路组成。能源系统经过电源管理模块为系统供电。

所述的控制系统11采用基于CAN总线的多主分布式控制体系结构，控制系统11共有5个控制节点组成，分别为主控节点、传感器节点、AUV功能节点、意外处理节点、滑翔功能节点；微控制器采用PHILIPS公司的ARM7系列控制芯片LPC2292，它带有两路CAN控制器(CAN Controller)，CAN总线收发器采用具有光电隔离功能的CTM1050；系统采用基于μC/OS的多任务实时操作系统，根据功能区分，模块化编写控制程序。

所述各控制节点的功能分别为：主控节点负责任务管理、路径规划以及与甲板单元之间的通讯；传感器节点实现GPS定位，完成对电子罗盘(TCM3)16、流速计17、压力计18、温度计19、高度计20等传感器的信息采集与处理；意外处理节点负责电源检测、电源不足处理、深度高度意外情况处理以及抛载上浮处理；AUV功能节点控制尾舵转向模块、螺旋桨推进模块的运转，自适应调节并记录AUV模式控制参数；滑翔板控制俯仰调节模块、横滚调节模块、浮力驱动模块的运行，自适应调节并记录滑翔模式控制参数。

五个控制节点的CAN指令的优先级从高到低分别为意外处理节点、主控节点、传感器节点、AUV功能节点和滑翔功能节点，AUV功能节点与滑翔功能节点CAN指令优先级相同且为最低。

请参阅表1，

表1 CAN总线通讯指令编写规范

注：1、紧急标志位为1表示普通，为0表示紧急；

2、应答标志位为1表示应答ID，为0表示发送ID；

3、目的地址：ID.X为1的时候表示该节点接收；

ID.4—传感器节点，ID.3—意外处理节点，ID.2—主控节点，ID.1—AUV功能节点，ID.0—滑翔功能节点

4、每组ID设置的时候不能为0，否则会影响ID优先级。

所述的CAN指令ID编写规范为：使用标准CAN总线协议的拓展贞(29位ID)，ID.0～ID.4为指令目的地址标识，分别对应滑翔功能节点、AUV功能节点、主控节点、意外处理节点、传感器节点五个节点，若某位为1，则表示该指令欲发送给其相对应的节点；ID.5～ID.7为空，留作将来拓展控制节点使用；ID.8～ID.11为意外处理节点命令标识，该位域置1，表明指令的来源为意外处理节点，ID.11为应答标志位，该位有效表明指令是来自意外处理节点的应答指令；ID.12～ID.15为传感器节点命令标识，该位域置1，表明指令的来源为传感器节点，ID.15为应答标志位，该位有效表明指令是来自传感器节点的应答指令；ID.16～ID.23为主控节点命令标识，该位域置1，表明指令的来源为主控节点，ID.23为应答标志位，该位有效表明指令是来自主控节点的应答指令；ID.24～ID.27为AUV功能节点和滑翔功能节点命令标识，该位域有效，表明指令的来源为AUV功能节点或滑翔功能节点，ID.24为1表明指令来源为滑翔功能节点，ID.24为0表示指令来源为AUV功能节点，ID.27为应答标志位，该位有效表明指令是来自AUV功能节点或滑翔功能节点的应答指令；ID.28为紧急标志位，该位为0表示指令具有最高优先级。

滑翔工作模式下，滑翔功能节点控制横滚调节模块，浮力驱动模块和俯仰调节模块工作，实现剖面航行，此时可在较深海域完成对海洋环境长时间，高效率的观测作业；AUV工作模式下，AUV功能节点控制螺旋桨推进模块和尾舵转向模块工作，此时可以实现在不同深度海域中的快速航行，以及对目标的跟踪和精确监测；复合工作模式下，AUV功能节点和滑翔功能节点协调控制浮力驱动模块、俯仰调节模块和尾舵转向模块，可以适应具有较大海流的海域，进行长时间剖面航行并完成探测任务。

采用本发明的混合型水下自主航行器的作业描述：

当航行器处于较浅海域时，采用AUV工作模式。此时尾舵转向模块13和螺旋桨推进模块14工作，航行器可实现定深航行、固定航向航行、不同半径转弯航行；

当航行器处于较深海域，且海况较为平静时，采用滑翔工作模式。此时浮力驱动模块7、横滚调节模块8、俯仰调节模块9工作，航行器可实现不同形状的剖面航行，固定航向航行；当处于较深海域，且有较大海流时，采用复合工作模式，即用尾舵转向模块13代替横滚调节模块8工作，实现滑翔航行；

当对具体目标进行精确快速的监测、考察、跟踪等作业时，采用AUV工作模式。此时航行速度快，路径控制精确；当对大范围海域进行环境勘测时，采用滑翔模式，此时航行效率高，工作时间长。

本发明采用基于CAN总线的多主分布式控制架构，各节点完成对航行器相应功能单元的控制。各节点协同工作可以实现航行器的滑翔、AUV、复合三种工作模式，使航行器能够切换工作模式以适应不同海况及任务要求，并在某一大范围海域内进行长时间，高效率检测作业。采用模块化设计结构，功能强大，设计思路新颖；采用本发明的混合型水下自主航行器搭载相应的测量传感器和任务模块，可以实现对大范围水域的监测和勘测。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种混合型水下自主航行器分布式控制系统，包括前舱内部固定安装浮力驱动模块，主舱内部固定安装横滚调节模块、俯仰调节模块、能源和控制系统，敞水舱内部安装意外抛载模块，尾舱内部固定安装尾舵转向模块和螺旋桨推进模块，设置在主舱外底部机翼根部的流量计，安装在敞水舱背部的无线通讯及GPS定位模块，设置在头部罩下侧的高度计、压力计和温度计，设置在主舱内部控制系统上的电子罗盘，其特征在于，所述控制系统采用基于CAN总线的多主分布式控制体系结构。

2.根据权利要求1所述的混合型水下自主航行器分布式控制系统，其特征在于：所述控制系统采用基于μC/OS的多任务实时操作系统。

3.根据权利要求2所述的混合型水下自主航行器分布式控制系统，其特征在于：所述控制系统由主控节点、传感器节点、AUV功能节点、意外处理节点、滑翔功能节点组成。

4.根据权利要求3所述的混合型水下自主航行器分布式控制系统，其特征在于：所述控制系统节点的CAN指令优先级从高到低分别为意外处理节点、主控节点、传感器节点、AUV功能节点和滑翔功能节点，AUV功能节点与滑翔功能节点CAN指令优先级相同。