CN103760909A - 一种水下探测装置的控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水下探测装置的控制系统，包括探测装置的姿态控制系统以及装置的定位系统；探测装置包括推进器，控制密封舱，AHRS惯姿参考系统，超短基线声纳定位系统，声纳三维成像系统，电缆，装置框架，水下摄像头等。本发明所述控制系统通过水下环境的扫描确定探测装置的航向路径，通过推进器的控制实现探测装置的任意深度悬停，定航向行驶，姿态的稳定及调整等，再通过水下摄像头近距离观测获得水下构筑物的表面信息，在探测装置整个工作过程中通过超短基线声呐定位系统获得装置的实时位置以保证其工作的安全性，降低了对操纵者的要求。

Description

一种水下探测装置的控制系统
技术领域
本发明涉及一种控制系统，尤其是一种水下探测装置的控制系统。 
背景技术
目前大坝监测、桥基检测、桩基施工过程中的故障检测、水下搜救、渔业水产、港航安防、水下考古和科学考察、水下电视拍摄、水下摄影等水下作业活动随着经济发展和社会进步变得越来越多。水下探测器在水下作业中起到了巨大作用，随着作业难度的不断提高，对于水下探测器的的要求越来越高。水下状况复杂，仅凭借摄像头无法获得水下状况，影响操纵员的判断以及操作，水下装置在水下作业时需要保持一定的姿态，或者保持一定水深的悬停状态以及定航向航行等，随之提高的是对操纵者的操作以及技术要求。 
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种水下探测装置的控制系统，能够获得水下状况实现探测器的定位以及姿态控制以保证水下探测器的正常工作，同时减少了操作要求，无需对操纵者进行大量培训。 
本发明所采用的技术方案为：一种水下探测装置的控制系统，包括水上操作装置和水下探测器主体；所述的两者之间通过电缆连接；所述的水下探测器主体包括水下控制单元、推进器系统、声纳三维成像系统、声纳定位系统、水下摄像头、深度仪以及AHRS惯姿参考系统；所述的水下控制单元的输出端分别连接声纳三维成像系统、声纳定位系统、水下摄像头和推进器系统的输入端；所述的声纳三维成像系统、声纳定位系统以及水下摄像头的输出端通过电缆与水上操作装置相连接；所述的AHRS惯姿参考系统以及深度仪分别采集探测器 主体的姿态信息和深度信息并传送至水下控制单元的输入端；所述的水上操作装置包括水上操作台以及显示器。 
本发明所述的推进器系统由多个推进器组成；所述的推进器分别设置在探测器主体的框架上；通过推进器的控制实现探测装置的任意深度悬停，定航向行驶，姿态的稳定及调整等。所述的水上操作装置通过电缆发送不同的动作指令给水下控制单元；所述的水下控制单元接收指令后控制不同的执行单元完成不同的控制动作。 
进一步的说，本发明所述的深度仪监测探测器主体的实时深度并将其反馈至水下控制单元；所述的水下控制单元发出指令控制推进器系统形成深度闭环控制。在接收操纵者的操作指令后，能够实现探测器在某一深度的悬停或者快速到达某一深度的任务。 
本发明所述的AHRS惯姿参考系统监测探测器主体实时姿态信息以及航向信息并将其反馈至水下控制单元；所述的水下控制单元发出指令控制推进器系统形成姿态闭环控制以及航向闭环控制。在接收操纵者的不同操作指令后，自动的实现不同的动作，如姿态保持，定航向行驶，也可以由操纵者自主操纵。 
此外，本发明的声纳定位系统发送声纳信号给水上操作装置，在显示器上实时为操纵员及参观者等展现探测器的位置，方便操作，同时如果探测器出现意外，定位系统可以帮助打捞，减少经济损失。 
而声纳三维成像系统则扫描水下环境后通过电缆将信号传输到显示器中展示，操纵者及参观者可以直观的获得水下状况，便于操纵员的判断，进行探测器的路径规划以及总体操作规划等。 
本发明所述的水下摄像头能够拍摄到近距离景象通过电缆传送到水上设备并保存，实现探测任务。 
本发明的有益效果是：通过水下环境的扫描确定探测装置的航向路径，通过推进器的控制实现探测装置的任意深度悬停，定航向行驶，姿态的稳定及调整等，再通过水下摄像头近距离观测获得水下构筑物的表面信息，在探测装置整个工作过程中通过超短基线声呐定位系统获得装置的实时位置以保证其工作的安全性，降低了对操纵者的要求。 
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 
图1是本发明的系统结构框图； 
图2是本发明的推进器布置图； 
图3是本发明的姿态控制流程图； 
图4是本发明的航向控制流程图； 
图5是本发明的水深控制流程图。 
具体实施方式
现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。 
如图1所示，一种水下探测装置的控制系统，包括水上操作装置和水下探测器主体；所述的两者之间通过电缆连接；所述的水下探测器主体包括水下控制单元、推进器系统、声纳三维成像系统、声纳定位系统、水下摄像头、深度仪以及AHRS惯姿参考系统；所述的水下控制单元的输出端分别连接声纳三维成像系统、声纳定位系统、水下摄像头和推进器系统的输入端；所述的声纳三维成像系统、声纳定位系统以及水下摄像头的输出端通过电缆与水上操作装置 相连接；所述的AHRS惯姿参考系统以及深度仪分别采集探测器主体的姿态信息和深度信息并传送至水下控制单元的输入端。在本水下探测装置中，声纳三维成像系统在接收指令后获取水下总体状况，通过电缆传输到显示器中实时显示，有助于探测器整体路径规划以及整体操纵规划。声纳定位系统能够获得探测器实时位置，便于操作，在探测器出现意外时，方便打捞以减少损失。水下摄像头在近距离能够拍摄到水下构筑物的表面状况，通过电缆将拍摄的视频保存在水上设备完成探测任务。 
如图2所示，本水下探测装置中有6个推进器，布置方式如图所示，可以实现探测器的全方位运动。 
本水下探测装置的姿态控制流程如图3所示，姿态控制分为姿态调整和姿态稳定两种情况。以姿态稳定为例说明，此处姿态分为横滚角与俯仰角，由1、2、3、4推进器进行调整。AHRS实时获取探测器当前两角度，当这两种角度都在误差允许范围内时，四个推进器保持当前速度不变;仅存在横滚角误差时，根据误差的方向调整1、2号推进器或者3、4号推进器；仅存在俯仰角误差时，根据误差方向调整2、3号推进器或者1、4号推进器；既存在横滚角又存在俯仰角误差，则分四种情况，每种情况需要调节三个电机，其中一个为主要调节电机。采用模糊PID方式，根据输入的误差角以及误差角变化率整定出不同时刻需要的PPM信号变化率，通过控制单元控制相应推进器动作。 
本水下探测装置的航向控制流程如图4所示，航向控制主要为定航向行驶，AHRS系统获取探测器实时航向并与目标航向进行比较，小于误差允许值则保持推进器5、6的速度实现定航向行驶；大于误差允许值则先根据航向偏离的方向调整5或6的速度以达到目标航向，达到目标航向后，控制5、6推进器获得相同速度实现定航向行驶。定航向依然采用模糊PID的方式实现推进器的速度控 制。 
本水下探测装置的深度控制流程如图5所示，深度控制分为到达目标深度和当前深度的悬停。以探测器悬停为例，深度仪获取探测器实时深度并传输给控制单元，水深误差在允许范围内，则1、2、3、4号推进器共同提供的力、探测器重力与探测器所受浮力平衡，经计算和实验获得该速度；当水深误差不在允许范围内，则控制1、2、3、4号电机速度推进探测器到达目标深度，为使探测器平稳到达目标深度，速度函数为指数函数，其中的参数由模糊PID通过误差输入计算得出。 
以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离发明的实质和范围。 

Claims (6)

1.一种水下探测装置的控制系统，其特征在于：包括水上操作装置和水下探测器主体；所述的两者之间通过电缆连接；所述的水下探测器主体包括水下控制单元、推进器系统、声纳三维成像系统、声纳定位系统、水下摄像头、深度仪以及AHRS惯姿参考系统；所述的水下控制单元的输出端分别连接声纳三维成像系统、声纳定位系统、水下摄像头和推进器系统的输入端；所述的声纳三维成像系统、声纳定位系统以及水下摄像头的输出端通过电缆与水上操作装置相连接；所述的AHRS惯姿参考系统以及深度仪分别采集探测器主体的姿态信息和深度信息并传送至水下控制单元的输入端。
2.如权利要求1所述的一种水下探测装置的控制系统，其特征在于：所述的推进器系统由多个推进器组成；所述的推进器分别设置在探测器主体的框架上。
3.如权利要求1所述的一种水下探测装置的控制系统，其特征在于：所述的水上操作装置通过电缆发送不同的动作指令给水下控制单元；所述的水下控制单元接收指令后完成不同的控制动作。
4.如权利要求1所述的一种水下探测装置的控制系统，其特征在于：所述的深度仪监测探测器主体的实时深度并将其反馈至水下控制单元；所述的水下控制单元发出指令控制推进器系统形成深度闭环控制。
5.如权利要求1所述的一种水下探测装置的控制系统，其特征在于：所述的AHRS惯姿参考系统监测探测器主体实时姿态信息以及航向信息并将其反馈至水下控制单元；所述的水下控制单元发出指令控制推进器系统形成姿态闭环控制以及航向闭环控制。
6.如权利要求1所述的一种水下探测装置的控制系统，其特征在于：所述的水上操作装置包括水上操作台以及显示器。
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