CN103345257A - 一种水下航行器的自动驾驶仪控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种水下航行器的自动驾驶仪控制系统，包括控制微机节点、数据采集微机节点以及探测通讯系统节点；探测通讯系统节点由铱星无线通讯模块、GPS定位模块、温盐深测量仪、姿态传感器、多普勒速度仪和深度传感器等组成；控制微机节点与数据采集微机节点通过串口相连；控制微机节点通过串口分别与多普勒速度仪、姿态传感器以及深度传感器相连；数据采集微机节点通过串口分别与铱星无线通讯模块、GPS定位模块以及温盐深测量仪相连。与现有技术比，本发明将数据记录仪同控制器分离，进一步将水下航行器航行控制系统分散到其他节点，大大减轻了控制系统的任务，实现系统效率的提高。
Description
技术领域
本发明涉及水下航行器（以下简称AUV）的自动驾驶仪控制技术，具体为一种水下航行器的自动驾驶仪控制系统。
背景技术
以往的AUV的自动驾驶仪控制系统多采用集中式控制方式，即由主控计算机实现对所有传感器的数据采集和设备控制。控制系统的任务繁重，效率很低，一旦出现故障，整个控制系统将会崩溃，可靠性降低。随着人们对AUV数据处理速度要求，可靠性和可测试性要求越来越高，所以传统的集中式控制方式已经无法满足AUV控制系统的需求。同时由于AUV系统部件的接口标准不统一，部件之间的互连比较复杂，限制了系统的扩展和兼容能力，影响了系统的更新换代速度，另外，为满足AUV多功能需求，要求AUV能够根据任务灵活地进行功能重构，通过软件配置完成多种复杂任务；因此现有的集中式控制方式已不能满足上述要求。
发明内容
要解决的技术问题
为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种水下航行器的自动驾驶仪控制系统，采用CAN网络作为通信方式实现AUV电子系统扩展性、兼容性的重要手段。
技术方案
本发明提出的水下航行器的自动驾驶仪控制系统将数据记录仪同控制器分离，作为数据记录仪的数据采集微机节点不仅仅完成数据记录功能，同时还与探测通讯系统节点的相关设备通过串口连接，完成数据信息提取及航行指令参数的发送接收；采用CAN网络作为本控制系统的通信核心，实现水下航行器航行过程中同其他控制系统各装置节点内部互联、信息交换。
本发明的技术方案为：
所述一种水下航行器的自动驾驶仪控制系统，其特征在于：包括控制微机节点、数据采集微机节点以及探测通讯系统节点；探测通讯系统节点由铱星无线通讯模块、GPS定位模块、温盐深测量仪、姿态传感器、多普勒速度仪和深度传感器等组成；控制微机节点与数据采集微机节点通过串口相连，由数据采集微机节点发送航路点信息及航行模式的设置信息报文至控制微机节点；控制微机节点通过串口分别与多普勒速度仪、姿态传感器以及深度传感器相连，控制微机节点根据CAN通信协议，向CAN总线上发送探测通讯系统节点设备上电和推进器转速的报文信息；数据采集微机节点通过串口分别与铱星无线通讯模块、GPS定位模块以及温盐深测量仪相连，数据采集微机节点根据CAN通信协议，从CAN总线上接收报文消息进行译码，并记录有效的航行参数、数据，将需要发送的位置及控制信息发送到CAN总线供其他节点接收。
有益效果
与现有技术比，本发明更具有如下优点：
1、进一步提高系统工作效率。本发明将数据记录仪同控制器分离，进一步将水下航行器航行控制系统分散到其他节点，大大减轻了控制系统的任务，实现系统效率的提高。
2、以往的数据记录仪仅仅记录航行参数、数据，本发明的数据采集微机节点在记录数据的同时，通过铱星模块完成与岸上遥控与设定计算机节点通讯功能，通过微处理器串口获得GPS定位信息，温盐深测量仪（CTD）的相关信息，根据CAN通信协议，从CAN总线上接收报文消息进行译码，并记录有效的航行参数、数据，与此同时将需要发送的位置及控制信息发送到CAN总线供其他节点接收。
3、可靠性高。本发明减少了每个节点之间的连接线缆，降低了数据传输的干扰，同时在水下航行器航行控制系统航行过程中，避免了控制系统的数据丢包现象，完善地记录航行参数。
4、可维护性提高。本发明所选用的嵌入式PC/104微处理器将人力从繁琐的基于芯片的设计中解放出来，一旦出现硬件故障，可直接插拔更换、维护。
5、软件通用性好。本发明程序采用模块化设计，具有开放式架构，可任意增加或减少所携带探测系统的传感器和设备，同时不需要系统硬件线路的大幅度改动。
6、系统扩展性强。本发明若需要增加其他设备节点时可直接将其接入CAN总线网络，设置相关报文，无需对其他节点进行更改。
附图说明
图1：本发明电路供电及信息传输布置图；
图2：本发明控制微机节点与数据采集微机节点原理框图；
图3：本发明的控制微机节点电路图；
图4：本发明的数据采集微机节点电路图；
图5：本发明的铱星无线通讯模块CMOS/TTL电平转换电路图；
图6：本发明的应急接口电路；
图7：本发明的与电源、探测通讯系统节点连接的插座电路。
具体实施方式
下面结合具体实施例描述本发明：
本实施例提供的基于水下航行器（以下简称AUV）的自动驾驶仪控制系统将数据记录仪同控制器分离，作为数据记录仪的数据采集微机节点不仅仅完成数据记录功能，同时还与探测通讯系统节点的相关设备通过串口连接，完成数据信息提取；采用CAN网络作为本控制系统的通信核心，实现水下航行器航行过程中同其他控制系统各装置节点内部互联、信息交换。
本实施例包括控制微机节点、数据采集微机节点以及探测通讯系统节点；探测通讯系统节点由铱星无线通讯模块、GPS定位模块、温盐深测量仪、姿态传感器、多普勒速度仪和深度传感器等组成。
控制微机节点以嵌入式PC/104微处理器为核心，通过控制微机节点微处理器串口1与数据采集微机节点相连，接收航路点信息及航行模式的设置信息报文；通过控制微机节点微处理器串口3与多普勒速度仪连接，获得航行过程中三维绝对速度信息，同时可提供海底高度信息；通过控制微机节点微处理器串口4与姿态传感器（MTI）连接，获得航行过程中的三轴角度、角速度等相关信息，并控制航行过程中的状态；通过控制微机节点微处理器的串口5与深度传感器连接，获得AUV航行深度信息。根据CAN通信协议，控制微机节点向总线上发送探测通讯系统节点设备上电，推进器转速等报文信息，主要完成路径规划、推进器转速设定、多普勒速度仪、姿态传感器、深度传感器等数据的提取及传输等相关功能。
数据采集微机节点也以嵌入式PC/104微处理器为核心，通过数据采集微机节点微处理器串口1与控制微机节点相连，发送航路点信息及航行模式的设置信息报文；通过数据采集微机节点微处理器串口2与铱星无线通讯模块连接，完成与岸上遥控与设定计算机节点通讯功能，完成航路点设置、航行指令的接收发送等功能；通过数据采集微机节点微处理器串口3与温盐深测量仪（CTD）连接，记录航行过程中的海水密度、温度等相关信息，以备考察科研使用；通过数据采集微机节点微处理器的串口4获得GPS定位信息，获取AUV的位置信息，方便回收AUV；数据采集微机节点根据CAN通信协议，从CAN总线上接收报文消息进行译码，并记录有效的航行参数、数据，与此同时将需要发送的位置及控制信息发送到CAN总线供其他节点接收。
如图1所示，水下航行器航行控制系统电路供电采用分散供电方式，把动力电源和仪表电源分开，避免推进电机启动带来的电源波动对仪表工作的影响。供电电路采用总线，分为前段电源总线和后段电源总线，分别采用串行连接方式。信号的传输采用CAN总线，布局形式采用串行连接方式。
如图2所示，水下航行器的控制系统的控制微机节点以嵌入式PC/104微处理器为核心，主要完成路径规划、推进器转速设定、多普勒速度仪、姿态传感器、深度传感器等数据的提取及传输等相关功能。数据采集微机节点以PC/104微处理器为核心，通过铱星无线通讯模块完成与岸上遥控与设定计算机节点通讯功能，通过微处理器串口获得GPS定位信息，温盐深测量仪（CTD）的相关信息，在CAN总线上提取报文数据，记录航行数据。
图3至图7为水下航行器的控制系统的电气原理图：
（1）控制微机节点电路（图3）
控制微机节点的嵌入式PC/104微处理器选用的是SCM/SG1型微处理器，将其外部接口依次通过插座固定在PCB电路板上。其中PC/104连接器对应的插座为PC104_J3；电源连接器对应的连接器为J1_3，与供电电源插座连接，给控制微机节点供电；串行端口1对应的插座为J3_3，与数据采集微机节点的串行端口1相连，进行航行指令参数互联，传输；并行端口对应的插座为J4_3，它作为数字输入口使用，检测紧急停车信号，处理应急状况；多用接口对应的插座为J20_3，多用接口包括CAN总线接口、与多普勒速度仪（DVL）连接的串口3（RS422通信），与姿态传感器（MTI）连接的串口4（RS232通信）、与深度传感器连接的串口5（RS485通信）。
（2）数据采集微机节点电路（图4）
数据采集微机节点的嵌入式PC/104微处理器选用的是SCM/SG1型微处理器，将其外部接口依次通过插座固定在PCB电路板上。其中PC/104连接器对应的插座为PC104_J2；电源连接器对应的连接器为J1_2，与供电电源插座连接，给数据采集微机节点供电；串行端口1对应的插座为J3_2，与控制微机节点的串行端口1相连，进行航行指令参数互联，传输；并行端口对应的插座为J4_2，它作为数字输入口使用，检测紧急停车信号、铱星模块及GPS定位模块上电信号；串行端口2对应的插座为J5_2，经过CMOS/TTL电平电路转换之后与铱星无线通讯模块相连，完成同岸上控制器通信，实现航路点设置、相关航行指令参数及位置信息发送等功能；ETH接口即网口，对应的插座为J6_2，完成同上位机网络连接及数据回放拷贝等功能；USB接口对应的插座为J14_2，实现U盘存储拷贝数据；多用接口对应的插座为J20_2，多用接口包括CAN总线接口、与铱星无线通讯模块连接的串口2（RS232通信），与温盐深测量仪（CTD）连接的串口3（RS232通信），与GPS定位模块连接的串口4（RS232通信）。
（3）铱星无线通讯模块CMOS/TTL电平转换电路（图5）
数据采集微机的串行端口2为CMOS电路，铱星无线通讯模块为TTL电平电路，为实现RS232通信，因此需要CMOS/TTL电平转换电路，所选用的芯片为MAX232芯片及高速光耦6N137芯片。
（4）应急接口电路（图6）
控制微机节点的并口检测从光耦TLP521-4（N201A）副端处相应的紧急停车信号，处理应急状况；数据采集微机节点的并口从光耦TLP521-4检测紧急停车信号、铱星模块及GPS定位模块上电信号。
（5）与电源、探测通讯系统节点连接的插座电路（图7）
插座XS1作为PCB电路板同姿态传感器（MTI）连接插座，包括姿态传感器（MTI）供电电源线及其RS232通信线。插座XS2作为PCB电路板同深度传感器连接插座，包括深度传感器供电电源线及其RS485通信线。插座XS3作为本发明控制系统的信号总线插座，同供电控制器节点相连，完成CAN总线网络的连接及紧急停车信号的线缆。插座XS4作为PCB电路板同多普勒速度仪器（DVL）连接插座，包括姿态传感器（DVL）供电电源线及其RS422通信线。插座XS5作为PCB电路板同温盐深测量仪（CTD）连接插座，包括温盐深测量仪（CTD）供电电源线及其RS232通信线。插座XS6作为本发明控制系统的供电电源线，DC/DC转换模块输出的电压+24V，+5.1V电源，按照插座定义，依次连接到PCB电路板上提供电源。插座XS7作为本发明控制系统的预置接口插座，同水下航行器壳体相连，完成岸上控制器节点对水下航行器入水前设置及检测，并在航行结束后完成数据回放及拷贝等相关功能。
总之，本发明能够进一步提高系统工作效率，具有高可靠性，便于维护等优点，在此基础上可以提高水下航行器航行控制系统的生存能力。
Claims (1)
1.一种水下航行器的自动驾驶仪控制系统，其特征在于：包括控制微机节点、数据采集微机节点以及探测通讯系统节点；探测通讯系统节点由铱星无线通讯模块、GPS定位模块、温盐深测量仪、姿态传感器、多普勒速度仪和深度传感器等组成；控制微机节点与数据采集微机节点通过串口相连，由数据采集微机节点发送航路点信息及航行模式的设置信息报文至控制微机节点；控制微机节点通过串口分别与多普勒速度仪、姿态传感器以及深度传感器相连，控制微机节点根据CAN通信协议，向CAN总线上发送探测通讯系统节点设备上电和推进器转速的报文信息；数据采集微机节点通过串口分别与铱星无线通讯模块、GPS定位模块以及温盐深测量仪相连，数据采集微机节点根据CAN通信协议，从CAN总线上接收报文消息进行译码，并记录有效的航行参数、数据，将需要发送的位置及控制信息发送到CAN总线供其他节点接收。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20131009 |