CN103885391B - 一种小型自治水下机器人电源管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种小型自治水下机器人（以下简称AUV）电源管理系统，电源控制电路与电源分配电路、电池组连接；电源控制电路：用于进行AUV的电源分配，并能够监测整个AUV的实时电流；与中央控制系统通过CAN接口进行通信；当AUV上岸时能够与外部脐带电缆连接并对电池组进行充电；电源分配电路将电源控制电路输出的电压经转换供给中央控制系统和推进系统；电池组为电源管理系统内的主电源，给电源控制电路供电。本发明对小型AUV水下作业时自带电池组的能源使用进行管理，同时可以使小型AUV在水面连接脐带时能够切换到充电模式，并使用脐带电源为系统供电。

Description

一种小型自治水下机器人电源管理系统
技术领域
本发明涉及水下机器人电源管理，具体地说是一种小型自治水下机器人电源分配与监测系统。
背景技术
随着人们对海洋资源的探索与开发日益频繁，水下机器人作为一种有效载体得到了长足的发展。对于近海、河流、湖泊与水库等相对较浅的地域，小型自治水下机器人（以下简称小型AUV）以其便携性、易用性、低成本等特点，在水下环境监测与水下侦查等方面得到了广泛的应用。
由于小型AUV的体积重量和工作模式限制，现阶段的小型AUV在水下工作时几乎都采用自带可充电电池组提供能源，而且电池组的大小也受到严格的限制，只有当其回到岸上的时候，才会使用脐带来提供电源并且同时为小型AUV电池组充电。在这种情况下，小型AUV必须有一套成熟可靠的电源管理系统，既可以管理自身电池组的能量分配，又可以方便的在水下工作模式和水面工作模式下快捷安全的切换。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种小型AUV电源管理系统，对小型AUV水下作业时自带电池组的能源使用进行管理，同时可以使小型AUV在水面连接脐带时能够切换到充电模式，并使用脐带电源为系统供电。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种小型自治水下机器人电源管理系统，其特征在于包括：电源控制电路与电源分配电路、电池组连接；
电源控制电路：用于进行AUV的电源分配，并能够监测整个AUV的实时电流；与中央控制系统通过CAN接口进行通信；当AUV上岸时能够与外部脐带电缆连接并对电池组进行充电；
电源分配电路：将电源控制电路输出的电压经转换供给中央控制系统和推进系统；
电池组：为电源管理系统内的主电源，给电源控制电路供电；
所述电源分配电路包括固态继电器和中央控制系统电源转换电路；固态继电器的输出端正极与电源控制电路的电压输出端连接，输出端负极与推进系统的电源输入端连接；固态继电器的控制端与中央控制系统的推进系统控制输出端连接；中央控制系统电源转换电路的输入端与电源控制电路的另一电压输出端连接，输出端与电源控制电路的一个电压输入端连接。
所述电源控制电路包括单片机、电源转换电路、传感器和多个继电器；与电池组并联的电压传感器串联电流传感器后与电源分配电路的固态继电器的输出端正极连接；继电器的两路线圈控制端都通过电阻、二极管分别与外部脐带电缆的输入端ON和OFF连接，还分别通过干簧管与干电池正极连接；继电器的一个输出端与继电器的控制端连接，控制继电器输出端的通断,另一端悬空；继电器输出端与中央控制系统电源转换电路的输入端连接；继电器为两个并联的继电器，每个继电器的开关的一对输入端与中央控制系统电源转换电路的输出端连接，开关的另一对输入端与脐带电缆的正电压输入连接，开关的输出端通过二极管与单片机电源转换电路输入端连接，每个继电器的两个控制线圈分别与脐带电缆的两个输入端连接。
电源转换电路包括单片机电源转换电路、CAN电源转换电路和电压传感器电源转换电路；单片机电源转换电路的输入端与继电器的开关输出经二极管的一端连接，输出端与单片机电源端连接，该输出端还与CAN电源转换电路、电压传感器电源转换电路、安全状态检测电路的电源端连接。
所述安全状态检测电路包括温度检测电路、电压检测电路、电流检测电路和漏水检测电路。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明通过继电器的组合使用可以有效地控制小型AUV系统的电源连接情况，完全的将电池组和载体设备之间隔绝，保证系统的安全。
2.本发明使用舱体内部干簧管磁开关和外部手动开关协同控制继电器，使得外部脐带电源和自带电池组之间可以独立的对载体供电，同时可以保证在插拔脐带的时候，至少有一路电源与系统相连，使得系统可以一直维持正常的工作状态。
3.本发明可以实时监测水下工作状态下载体的电池组状态、载体设备的用电情况和电池组所在舱体内的实时温度，同时通过CAN总线传递给载体的中央控制单元，为中央控制单元的决策提供依据，具有极高的安全性。
4.本发明有效地对推进系统电源、控制系统电源和观测系统电源进行了隔离，通过中央控制系统的协调可以对各个用电部分进行独立的控制。
5.对小型AUV水下作业时自带电池组的能源使用进行管理，同时可以使小型AUV在水面连接脐带时能够切换到充电模式，并单独使用脐带电源或者与电池组一起为系统供电。
附图说明
图1为本发明的电源管理系统功能示意图；
图2为本发明的电源管理系统电源分配结构图；
图3为本发明的电源管理系统接口连接示意图；
图4为本发明的电源管理系统继电器接线电路图；
其中，（a）为干电池与干簧管连接电路图；（b）为继电器201连接电路图；（c）为继电器202连接电路图；（d）为继电器203连接电路图；（e）为防回流二极管连接电路图；
图5为本发明的电源管理系统电源控制电路的电源分配电路图；
其中，（a）为推进电源连接电路图；（b）为单片机电源分配电路图；（c）为CAN通信芯片电源分配电路图；（d）为电压传感器电源分配电路图；
图6为本发明的电源管理系统电源控制电路的单片机端口连接电路图；
其中，（a）为单片机最小系统电路图；（b）为单片机通信支持电路图；（c）为JTAG接口电路图；
图7为本发明的电源管理系统电源控制电路安全状态检测电路图；
其中，（a）为温度检测电路图；（b）为电压检测电路图；（c）为电流检测电路图；（d）为舱内漏水检测电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明涉及的电源管理系统主要包括电源控制电路1，电源分配电路2，电池组5，其功能包括电源控制、电源分配、电源状态监测以及单片机数据采集与通信。载体电池组5直接与电源控制电路1相连，脐带电缆6只有在岸上才与载体电源管理系统相连。电源被主要分为三个部分：电源管理系统单片机电源、自动驾驶舱电源和推进系统电源。
如图2所示，在电源管理系统内，主电源为+36V左右的电池组5，通过电压传感器206监测电池组两端电压，通过电流传感器207监测整个载体系统的实时电流；之后整个电源分为两路，一路经过固态继电器7连接到推进系统（+36V/T），固态继电器7的开关控制由中央控单元单独提供（+24V/T），另外一路经过继电器202（松下AQZ262）接入到自动驾驶舱（AP舱），我们通过脐带电缆6上的ON/OFF开关或者干簧管开关204来控制继电器201（松下TQ2-L2-3V），进而控制连接到自动驾驶舱电源（+36V/AP）的开关。+36V/AP经过外部的电源转换模块8变为+24V/C1回到电源管理系统内，再经过继电器203（松下DS2E-ML2-DV24V）为电源管理系统单片机4和AP舱控制系统供电，这里使用两个继电器203来保证电流足够大小。这里的脐带电缆ON/OFF开关起到关键作用，既可以替代干簧管开关204控制继电器201，同时也控制继电器203的连接情况：当ON按下的时候，我们使得继电器201接通，同时控制继电器203连接到+24V/C1，这样脐带电源和电池电源同时供电；当OFF按下的时候，我们使得继电器201断开，同时控制继电器203只连接到脐带电源；当水面任务完成之后，再按下ON，这样电池又连接到系统，脐带电缆6就可以拔下，小型AUV开始进行水下作业任务。这样设计的好处主要是可以分别控制脐带电源与电池电源的连接，保证在拔下脐带电源之后电池已经连接到系统中，不会对AUV供电造成影响。电源系统内部的单片机主要进行电源系统的状态监测，包括电压、电流、温度与漏水状态，并通过CAN总线与中央控制系统进行数据传递。
本系统与电池组在一起，当使用电池作为能源时，不连接中央控制系统（电源转换）无法进行正常工作；而连接脐带电缆时则不受中央控制系统（电源转换）的限制，可以正常工作。4个继电器组成的开关组合，继电器201控制继电器202的通断，脐带的ON/OFF开关控制继电器203的连接情况，并和干簧管204磁开关一起控制继电器201，逻辑上保证电源和载体一直有连接，并且可以自由控制电池组电源的开关。
图3显示的是电源管理系统的接口定义。电源控制板上一共有五组接口，脐带电缆提供+24V电源和ON/OFF控制信息，与控制板的J1相连；从电池组引出三路电源（J2），其中两路用于给推进系统供电（J5），一路经继电器AQZ262连接到自动驾驶舱进行电源转换（J4）；J4同时接收自动驾驶舱转换后的+24V电源并经继电器203回传给自动驾驶舱；中央控制系统通过CAN总线与电源控制系统进行通讯，使用接口J3，同时J3上还有两路漏水检测报警，一路信号由电源管理系统自己的单片机检测，一路连接到中央控制系统检测，形成漏水检测的冗余。
在脐带电缆ON/OFF开关与继电器201之间有二极管，防止干簧管电路中的电流回流形成回路；在继电器203的输出端也有二极管，防止脐带连接时电流回流到中央控制系统的电源转换部分。
图4为电源控制板继电器接线电路图，图4（a）中B为3V干电池，G1、G2是干簧管开关，分别控制4（b）中RELAY1的两个回路通断，图4（b）RELAY1（TQ2-L2-3V）、图4（c）RELAY2（AQZ262）以及图4（d）RELAY3～4（DS2E-ML2-DV24V）是继电器，按照图2描述的功能进行连接，其中RELAY1、RELAY2、RELAY3～4分别对应图2中的继电器201、继电器202和继电器203；图4（e）是二极管，可以保护电路，使得电流单向流动，脐带电源+24V/Sur不会与电池组产生的24V/OUT连接。图4中GND/Sur表示插上脐带电缆后脐带电缆的地线与+24V/C以及+24V/C1的地线相连。
图5包括两大部分，图3中的J5（+36V）也就是本图5（a）中的+36V/OUT，经过保险丝之后直接连接到固态继电器SSD，从固态继电器1-端口引线连接到推进电机端。图5（b）～图5（d）是三个电压模块，S1（THL10-2411WI）、S2（TSM0505S）与A1（TSM0512D）进行电压的转换，经过转换之后分别给单片机、CAN通信芯片以及电压传感器使用。
图6是电源管理系统的单片机连接电路图，图6（a）是最小系统电路图，D1使用的是AtmegaAT90CAN128单片机，该单片机自带CAN控制器；图6（b）为通信支持电路，D2为数字隔离器ADuM1201，可以降低噪声对信号的干扰；D3是高速CAN收发控制器TJA1050，进行CAN通信的数据转换，输出端与外部中央控制系统连接；图6（c）中JTAG接口留作片上调试与程序下载使用。此部分主要用单片机检测温度传感器信息ADC0、电压传感器信息ADC1和电流传感器信息ADC2～3以及漏水信息PC0，通过CAN总线发送给中央控制系统。
可以进行CAN通信的板上单片机系统，单片机采集电源的实时状态并通过CAN总线向中央控制系统报告状态，为其进一步的决策提供依据
图7是电源控制板安全状态检测电路图，主要包括四部分：温度检测（a）、电压检测（b）、电流检测（c）和漏水检测（d）。如图7（a）所示，温度监测功能采用温度传感器AD590，其相当于一个电流源，电流大小通过公式IAD590＝(273+t)uA来计算，t为当前舱内摄氏温度值，通过检测电阻R18两端电压值ADC0间接检测温度值；如图7（b）所示，电压传感器采用LEMLV-25P，R10两端电压为ADC1，在使用图（b）所示大小电阻R9与R10时，电池组的电压计算方法为V＝14.4×ADC1；如图7（c）所示，电流传感器采用LEMHXS-20NP，采集信息为ADC2与ADC3，输出电流计算方法为I＝16×|ADC2-ADC3|；如图7（d）所示，D5为二极管，一旦舱体漏水，WS/BAT与GND短接，PC0端口得到的电平值将由高变低（由1变0），保证在漏水时可以及时得到相应信息，同时还有连接到中央控制系统漏水检测，使系统更加安全可靠。图7中的ADC0、ADC1、ADC2、ADC3和PC0都与单片机的I/O连接。
本系统的工作原理为：
1.在岸上对载体进行检测的时候，连接脐带电缆，按下开关OFF，使得系统在脐带电源下工作，对载体进行初始化与设备检测，之后按下开关ON，使得系统在电池组和脐带双电源下工作，之后拔下脐带电缆，将小型AUV载体放入水中；
2.在水下机器人入水之后，通过中央控制系统向电源管理系统单片机发送指令，单片机根据要求报告当前电池组情况，中央控制系统通过电源管理系统发送过来的数据进行分析，合理使用推进系统及其他部分电源；
3.在暂时结束使命的时候，如果不需要上传数据，使用磁铁滑动干簧管磁开关，使系统关闭，当再次下水时，在使用磁铁滑动干簧管开关时系统上电；
4.在水下使命执行完毕后，回收载体，连接脐带电缆，按下OFF，切断电池组电压，使用脐带进行数据回收，最后拔下脐带，使命结束。

Claims (4)

1.一种小型自治水下机器人电源管理系统，其特征在于包括：电源控制电路(1)与电源分配电路(2)、电池组(5)连接；
电源控制电路(1)：用于进行AUV的电源分配，并能够监测整个AUV的实时电流；与中央控制系统通过CAN接口进行通信；当AUV上岸时能够与外部脐带电缆(6)连接并对电池组(5)进行充电；
电源分配电路(2)：将电源控制电路(1)输出的电压经转换供给中央控制系统和推进系统；
电池组(5)：为电源管理系统内的主电源，给电源控制电路(1)供电；
所述电源控制电路(1)包括单片机(4)、电源转换电路(208)、传感器和多个继电器；与电池组(5)并联的电压传感器(206)串联电流传感器(207)后与电源分配电路(2)的固态继电器(7)的输出端正极连接；第一继电器(201)的两路线圈控制端都通过电阻、二极管分别与外部脐带电缆(6)的输入端ON和OFF连接，还分别通过干簧管(204)与干电池正极连接；第一继电器(201)的一个输出端与第二继电器(202)的控制端连接，控制第二继电器(202)输出端的通断,另一端悬空；第二继电器(202)输出端与中央控制系统电源转换电路(8)的输入端连接；第三继电器(203)为两个并联的继电器，每个继电器的开关的一对输入端与中央控制系统电源转换电路(8)的输出端连接，开关的另一对输入端与脐带电缆(6)的正电压输入连接，开关的输出端通过二极管与单片机电源转换电路(2-8)输入端连接，每个继电器的两个控制线圈分别与脐带电缆(6)的两个输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种小型自治水下机器人电源管理系统，其特征在于包括：所述电源分配电路(2)包括固态继电器(7)和中央控制系统电源转换电路(8)；固态继电器(7)的输出端正极与电源控制电路(1)的电压输出端连接，输出端负极与推进系统的电源输入端连接；固态继电器(7)的控制端与中央控制系统的推进系统控制输出端连接；中央控制系统电源转换电路(8)的输入端与电源控制电路(1)的另一电压输出端连接，输出端与电源控制电路(1)的一个电压输入端连接。
3.根据权利要求1所述的一种小型自治水下机器人电源管理系统，其特征在于包括：电源转换电路(208)包括单片机电源转换电路、CAN电源转换电路和电压传感器电源转换电路；单片机电源转换电路的输入端与第三继电器(203)的开关输出经二极管的一端连接，输出端与单片机(4)电源端连接，该输出端还与CAN电源转换电路、电压传感器电源转换电路、安全状态检测电路的电源端连接。
4.根据权利要求3所述的一种小型自治水下机器人电源管理系统，其特征在于包括：所述安全状态检测电路包括温度检测电路、电压检测电路、电流检测电路和漏水检测电路。
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