CN103984348A - 基于波浪能推动的自主航行观测平台控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波浪能推动的自主航行观测平台控制系统，由在线监控装置、两套控制系统和三组独立的太阳能发电装置组成，两套控制系统分别拥有嵌入式控制器、导航装置、定位装置、通信装置、调向装置、平台内部状态监测装置和测量装置。正常情况下，以一套系统为主工作，另一套系统处于热备份状态；在线监控装置监控并协调两套系统的工作，定时获取两套系统的状态信息，当发现哪个系统工作异常后，可对该系统实施重新上电操作，使系统恢复工作正常，如果主系统出现异常且不可恢复，在线监控装置可以切换主备系统；控制系统定时将观测平台的状态信息传到岸基监控系统，以便岸上人员进行远程控制和管理，发现问题及时处理。

Description

基于波浪能推动的自主航行观测平台控制系统

技术领域

本发明涉及海洋移动观测平台控制系统，特别是涉及基于波浪能推动的自主航行观测平台控制系统。

背景技术

随着探索海洋步伐的加快，人们越来越认识到占地球75％面积的海洋必将成为人类生存和发展的新领域，将对人类发展和社会进步起到重要作用。近年来，海洋移动观测平台得到广泛应用，出现了许多新技术和新产品。基于波浪能推动的自主航行观测平台从2005年诞生至今，得到迅猛发展。基于波浪能推动的自主航行观测平台是一种新型海洋环境监测平台，它利用波浪起伏直接转换为前向推进，采用太阳能为系统能源，通过搭载各种类型科学传感器，完成长时间全球海洋巡航调查作业。基于波浪能推动的自主航行观测平台为人类观察和了解世界海洋开辟了崭新的途径，实现了大尺度、长时序的海洋调查，与传统的调查方式相比节约了大量人力、物力和财力，而且可实现对恶劣环境和敏感区域的调查。

基于波浪能推动的自主航行观测平台发展趋势朝着实用化、综合技术体系化方向发展，且功能日益完善。基于波浪能推动的自主航行观测平台的最大技术挑战来自可靠性和自主性。

现有的基于波浪能推动的自主航行观测平台控制系统由嵌入式控制器、导航装置、定位装置、通信装置、太阳能发电装置、调向装置和测量装置组成。由于基于波浪能推动的自主航行观测平台工作时间长、作业距离远，海洋环境复杂多变且恶劣，系统的可靠性显得尤为重要,现有的观测平台由单一控制系统组成，观测平台任何装置出现故障都可能的无法完成任务，造成无可挽回的损失，这也成为制约现有技术发展的主要因素。

发明内容

针对基于波浪能推动的自主航行观测平台工作时间长、距离远、环境复杂、可靠性要求高等问题，本发明推出一种新的基于波浪能推动的自主航行观测平台控制系统，由在线监控装置、控制系统A、控制系统B和三组独立的太阳能发电装置组成，控制系统A和控制系统B分别拥有：嵌入式控制器、导航装置、定位装置、通信装置、调向装置、平台内部状态监测装置和测量装置，三组发电装置分别给在线监控装置、控制系统A和控制系统供电。正常情况下，以控制系统A为主工作，完成观测平台的导航、定位、通信、传感器测量工作；控制系统B处于热备份状态，控制系统B的只有嵌入式控制器、平台内部状态监测装置和测量装置工作，其它部分不工作，控制系统B将传感器测量的特征数据和状态信息通过串口传送到控制系统A，由控制系统A汇总后发送到岸基监控系统；在线监控装置监控并协调控制系统A和控制系统B的工作，定时获取控制系统A和控制系统B的状态信息，当发现哪个系统工作异常后，可对该系统实施重新上电操作，使系统恢复工作正常，如果控制系统A出现异常且不可恢复，在线监控装置可以切换主备系统，保障系统工作正常；控制系统定时将观测平台的状态信息传到岸基监控系统，以便岸上人员进行远程控制和管理，发现问题及时处理。通过以上措施可提高观测平台的可靠性。

基于波浪能推动的自主航行观测平台由舟型浮体和水下滑行装置组成，舟型浮体和水下滑行装置通过脐带缆连接，观测平台与岸基监控系统通过无线通信装置通信，观测平台可响应岸基监控系统的命令，同时将测量数据的特征值和观测平台的状态信息发送到岸基监控系统。

舟型浮体分为前舱、中舱和后舱。前舱、中舱和后舱分别独立密封，前舱、中舱和后舱各安装一组太阳能发电装置，由三组太阳能发电装置独立供电，前舱、中舱和后舱的连线通过水密接插件连接。

舟型浮体前端和后端分别安装避雷针，防止直击雷，直击雷具有电压高、电流大的特点，其破坏性极大，一般使用避雷针可以达到防雷效果。

舵机安装在水下滑行装置的尾部，观测平台的控制系统可通过调向装置调整水下滑行装置舵机的方向，实现观测平台的方向调整

前舱安装控制系统A和太阳能发电装置A。太阳能发电装置A安装在前舱表面，控制系统A安装在前舱舱内上部。太阳能发电装置A为控制系统A提供电源，在线监控装置通过电磁继电器控制工作电源的上电、掉电。控制系统A与在线监控装置的连线通过水密电缆连接。

中舱安装在线监控装置和太阳能发电装置C。太阳能发电装置C安装在中舱表面，在线监控装置安装在中舱舱内上部。太阳能发电装置C为在线监控装置提供电源。

后舱安装控制系统B和太阳能发电装置B。太阳能发电装置B安装在后舱表面，控制系统B安装在后舱舱内上部。太阳能发电装置B为控制系统B提供电源，在线监控装置通过电磁继电器控制工作电源的上电、掉电。控制系统B与在线监控装置的连线通过水密电缆连接。

在线监控装置与控制系统A和控制系统B的连线都为4根通过水密接插件连接；在线监控装置通过一个输出接口连接到控制系统的继电器控制端，控制工作电源的上电、掉电；在线监控装置通过另一个输出接口与控制系统的嵌入式控制器的输入接口连接，向控制系统发送控制信息；在线监控装置通过一个输入接口与嵌入式控制器的输出接口连接，接收控制系统的状态信息；最后一根连线为信号地。

在线监控装置监控并协调控制系统A和控制系统B的工作，定时向控制系统A和控制系统B的发送控制信息；定时获取控制系统A和控制系统B的工作状态和舱内环境状态；当发现哪个系统工作状态异常后，可对该系统采取重新上电操作，使系统恢复工作正常；如果控制系统A出现异常且不可恢复，在线监控装置可以启用控制系统B作为主系统；在线监控装置发现电源工作异常后，可通过继电器及时切断故障电路，对故障电路实施隔离，有效保护观测平台的其它设备，维持平台正常工作。

在线监控装置与控制系统A和控制系统B通过输入/输出接口(I/O口)交换信息，采用同步数据传输方式，结构简单，无需外围电路，而且方便扩充。

在线监控装置可定时获取控制系统A和控制系统B的工作状态，当发现系统电压过低或温度过高时，可改变系统的工作方式，进入低功耗模式，适当降低通信和采样频率，关闭部分电源；当发现系统工作异常后，可对该系统实施重新上电操作，使系统恢复工作正常；如果系统异常且不可恢复，在线监控装置可以切换主备系统。

如果观测平台舱体内部电压出现异常情况，要根据电压的异常程度分别进行处理。如果监测电压只是轻微异常，可以只向岸基监控系统和在线监控装置送低电压报警，如果监测电压出现严重异常，有可能损害观测平台内部器件，要立即切断对外所有负载系统的供电，并向岸基监控系统和在线监控装置发送电压故障报警信息，采取进一步处理。

如果观测平台舱体内部温度出现异常情况，要根据温度的异常程度分别进行过热报警、故障报警、切断供电等操作。如果监测温度只是轻微异常，可以只向岸基监控系统和在线监控装置送过热报警，如果监测温度出现严重异常，有可能损害观测平台内部器件，要立即切断对外所有负载系统的供电，并向岸基监控系统和在线监控装置发送温度故障报警信息，采取进一步处理。

如果是观测平台舱体出现漏水情况，整个系统将无法正常工作。因此，一旦监测到观测平台的某个舱体出现漏水情况，要及时岸基监控系统和在线监控装置发送漏水报警信息，并由在线监控装置关闭漏水舱体的电源，将漏水舱体隔离，以免对整个观测平台产生影响甚至破坏。

控制系统A和控制系统B通过串行接口交换信息。主系统定时从备份系统获得测量的传感器特征数据和工作状态，如果主系统的部分装置工作不正常，也可以通过串行接口向备份控制系统B发送命令，开启相应装置，获取相应的数据。主系统定时将测量装置的特征数据和系统状态信息发送到岸基监控系统，并响应岸基监控系统的命令。对于各种异常情况的报警和实时处理对于保证观测平台的长期可靠运行至关重要。

控制系统A和控制系统B由嵌入式控制器、导航装置、定位装置、通信装置、调向装置、平台内部状态监测装置和测量装置组成。嵌入式控制器通过串行接口与导航装置、定位装置、通信装置和测量装置连接，通过输入/输出接口(I/O口)与平台内部状态监测装置和调向装置连接，并通过电源管理装置实现电源管理，可控制导航装置、定位装置、通信装置、调向装置、平台内部状态监测装置和测量装置的上电和掉电，实现节能控制。

嵌入式控制器从岸基监控系统获得观测平台要去的位置。嵌入式控制器定时从定位装置获得观测平台位置，通过计算获得到达目标点的距离和航向，从导航装置获得观测平台方位，当有航向偏差时，通过调向装置调向，调整观测平台运行方向；嵌入式控制器定时采集并存储测量装置的传感器数据，并通过通信装置将传感器测量的特征数据发送到岸基监控系统；嵌入式控制器定时完成设备自检，当设备出现问题后及时通知在线监控装置，由在线监控装置采取相应措施。

测量装置由测量传感器构成，测量传感器可包括水文、气象、水质、环境等各种海洋仪器。对于关键的测量要素，可在控制系统A和控制系统B安装相同的传感器，两组数据可以相互验证，提高测量数据质量。

嵌入式控制器定时检测舱内的温度、湿度、是否漏水。观测平台的设备都封装在封闭腔体里面，散热条件很差，而观测平台的负载变化较大，除了要进行合理的散热设计之外，对观测平台各舱体内部的温度监测也是必不可少的。通过对观测平台各舱体内部的温度监测可以从另一个角度了解观测平台的电源系统、控制系统的工作状态和运行环境情况。通过温度监测可以对整个系统的散热和温度情况有更加清楚的认识，有助于进一步改进散热条件，优化系统设计，提高观测平台内部系统的可靠性和使用寿命。海面的高压、低温、腐蚀等环境条件对观测平台的密封技术提出了挑战。当前观测平台的各工作舱的端盖与腔体之间、腔体与腔体之间都是需要密封。而密封长期处在海水的恶劣条件下性能会发生变化，甚至有可能失去密封功能。因此，对于观测平台各舱体进行漏水监测无论是对于系统的试验阶段还是长期稳定运行阶段都是十分必要的。

太阳能发电装置由太阳能电池板、大动力聚合物锂能电池和控制器组成，大动力聚合物锂能电池为平板状，安装在太阳能电池板下面，可以节省舱内空间。

通过采用两套控制系统，两套控制采用独立的电源，而且两套系统分舱放置，并由在线监控装置协调其工作，同时监控观测平台的舱内温度、工作电压和是否漏水，发现问题及时处理，有效提高系统的可靠性。

附图说明

图1为基于波浪能推动的自主航行观测平台结构示意图；

图2为基于波浪能推动的自主航行观测平台控制功能框图。

图中标记说明：

1、北斗卫星和GPSA天线    2、太阳能发电装置A

3、太阳能发电装置C       4、太阳能发电装置B

5、铱星和GPSB天线        6、气象传感器

7、CTD                   8、前舱

9、中舱                  10、后舱

11、ADCP                 12、水下滑翔机

13、脐带缆               14、舵机

15、岸基监控系统         16、避雷针1

17、避雷针2              18、嵌入式控制器A

19、在线监控装置         20、嵌入式控制器B

21、北斗卫星终端和GPSA   22、电子罗盘

23、温湿度传感器A        24、漏水检测电路A

25、电源管理电路A        26、电压检测电路A

27、电磁继电器A          28、电压检测电路B

29、电磁继电器B          30、铱星终端+GPSB

31、温湿度传感器B        32、漏水检测电路B

33、电源管理电路B

具体实施方式

结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。图1为基于波浪能推动的自主航行观测平台结构示意图，如图1所示，本发明涉及的自主航行观测平台由舟型浮体和水下滑行机组成，舟型浮体和水下滑行机通过脐带缆连接；使用北斗卫星终端和铱星终端作为无线通信装置，自主航行观测平台与岸基监控系统通过无线通信装置通信，响应岸基监控系统的命令，同时将测量数据的特征值和系统状态信息发送到岸基监控系统；搭载CTD、ADCP和气象传感器作为测量设备，可根据任务需要增加其它传感器。

舟型浮体分为前舱、中舱和后舱。前舱、中舱和后舱分别独立密封，前舱、中舱和后舱的连线通过水密接插件连接。

舟型浮体前端和后端分别安装避雷针1和避雷针2，防止雷电对观测平台造成损害。

舵机安装在水下滑行装置的尾部，观测平台通过调向装置调整舵机方向，实现观测平台的方向调整。

前舱安装控制系统A和太阳能发电装置A。太阳能发电装置A安装在前舱表面，控制系统A的电路部分安装在前舱舱内上部。太阳能发电装置A为控制系统A提供电源，在线监控装置通过电磁继电器控制控制系统A上电、掉电。北斗卫星和GPSA的天线集成在一起，安装在前舱表面的前部。CTD安装在前舱下面的前部，方便CTD与水体交换，可提高测量数据质量。漏水检测电路A放置在前舱底部。温湿度传感器A安装在前舱中部。控制系统A和在线监控装置的信号线通过水密电缆连接。

中舱安装在线监控装置、太阳能发电装置C。太阳能发电装置C安装在中舱表面，在线监控装置安装在中舱舱内上部。太阳能发电装置C为在线监控装置提供电源。

后舱安装控制系统B和太阳能发电装置B。太阳能发电装置B安装在后舱表面，控制系统B安装在后舱舱内。太阳能发电装置B为控制系统B提供电源，在线监控装置通过电磁继电器控制控制系统B上电、掉电。铱星和GPSB的天线集成在一起，安装在后舱表面的后部；气象传感器安装在后舱表面的后部，ADCP安装在后舱的底部。漏水检测电路B放置在前舱底部。温湿度传感器B安装在后舱中部。控制系统B和在线监控装置的信号线通过水密电缆连接。

在线监控装置由单片机构成，采用工业级芯片PIC12F508作为控制芯片，PIC12F508采用内置晶振，没有外围电路简单，安全可靠。

在线监控装置的两个输出端口分别与控制系统A和控制系统B的输入端口连接，向控制系统A和控制系统B发送控制命令；正常情况下，在线监控装置的两个输出端口分别输出高电平和低电平，与高电平连接的系统为主系统，与低电平连接的为备份系统，在线监控装置的通过两个输出端口控制哪个系统为主系统；当发现哪个系统电压过低或温度过高时，可改变系统的工作方式，进入低功耗模式；处于低功耗模式时，在线监控装置定时(间隔一秒)输出状态数据为8位同步脉冲数据，脉冲宽度为0.2毫秒，保证能够可靠采样，对主系统输出的8位同步脉冲数据为01010101，对备用主系统输出的8位同步脉冲数据为10101010。

在线监控装置的两个输入端口分别与控制系统A和控制系统B的输出端口连接，接收控制系统A和控制系统B定时输出状态数据；在线监控装置对接受的状态数据进行分析，当数据异常时采取相应的措施；在线监控装置通过两个输入端口对控制系统A和控制系统B进行实时监控，当超过规定的时间在线监控装置未收到数据后，在线监控装置可对系统实施掉电、上电操作，使系统恢复正常工作。

控制系统A和控制系统B定时输出状态数据为16位同步脉冲数据，脉冲宽度为0.2毫秒，保证在线监控装置能够可靠采样，输出状态数据的位数可根据实际需要适当增减，方便灵活。输出端口平时为高电平，端口输出电平由高电平转为低电平启动传输数据，16位同步脉冲数据第1位和第16位为低电平。16位同步脉冲数据功能如表1。

表1

16位同步脉冲数据具体说明如下：

第1位：启动传输，低电平启动传输。

第2位：备用状态，暂不使用，为固定的高电平。

第3位：嵌入式控制器状态，低电平正常；高电平故障。

第4位：通信装置状态，低电平正常；高电平故障。

第5位：定位装置状态，低电平正常；高电平故障。

第6位：导航装置状态，低电平正常；高电平故障。

第7位：测量装置状态，低电平正常；高电平故障。

第8位：备用状态，暂不使用，为固定的高电平。

第9位：舱体是否漏水，低电平正常，高电平为舱体漏水。

第10位和第11位：舱内温度状态，表2为数据内容的定义。

表2

第12位：湿度传感器状态，低电平正常，高电平湿度过高。

第13位和第14位：太阳能发电装置状态，表3为数据内容的定义。

表3

第15位：备用状态，暂不使用，为固定的高电平。

第16位：停止传输，为低电平。

低电平正常；高电平故障。

在线监控装置通过输出端口控制电磁继电器A和电磁继电器B开关，控制控制系统A和控制系统B上电、掉电。

控制系统A由嵌入式控制器、导航装置、定位装置、通信装置、调向装置、平台内部状态监测装置和测量装置组成。

控制系统A的嵌入式控制器A采用LPC1768作为嵌入式控制器，完成导航、定位、采集处理及通信功能。

嵌入式控制器A与电源管理电路A连接，通过电源管理电路A控制控制系统A内的设备按照设定的时序上电、掉电。

嵌入式控制器A的串口0与嵌入式控制器B的串口0连接，完成数据交换。

北斗卫星终端+GPSA集成为1个模块，与嵌入式控制器A的串口1连接，完成数据通信。

嵌入式控制器A的串口2与CTD连接，完成传感器数据采集。

嵌入式控制器A的串口3与电子罗盘连接，完成数据采集，并获得观测平台的当前方位。

嵌入式控制器A通过I/O口与温湿度传感器A,获得前舱舱内的温度和湿度；通过模拟端口与漏水检测电路A连接，检测前舱是否漏水。嵌入式控制器A通过模拟端口与电压检测电路A连接，完成太阳能发电装置A的电压采集，检测控制系统电源电压是否正常。

控制系统B的嵌入式控制器B采用LPC1768作为嵌入式控制器，完成导航、定位、采集处理及通信功能。

嵌入式控制器B与电源管理电路B连接，通过电源管理电路B控制控制系统B内的设备按照设定的时序上电、掉电。

嵌入式控制器B的串口0与嵌入式控制器A的串口0连接，完成数据交换。

铱星终端+GPSB集成为1个模块，与嵌入式控制器B的串口1连接，完成数据通信。

嵌入式控制器B的串口2与气象传感器连接，完成数据采集。

嵌入式控制器B的串口3与ADCP连接，完成数据采集，在获得传感器数据的同时，还可通过ADCP上的罗盘获得平台的当前位置信息。

嵌入式控制器B通过I/O口与温湿度传感器B,获得后舱舱内的温度和湿度；通过模拟端口与漏水检测电路B连接，检测后舱是否漏水。嵌入式控制器B通电压检测电路B连接，完成太阳能发电装置B的电压采集，检测控制系统供电电压是否正常。

本系统的温湿度传感器采用SHT11，SHT11是全数字式相对湿度和温度传感器，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点。

Claims (7)

1.一种基于波浪能推动的自主航行观测平台控制系统，所述自主航行观测平台包括舟型浮体、水下滑行装置，舟型浮体和水下滑行装置通过脐带缆连接，舟型浮体分为前舱、中舱和后舱，前舱、中舱和后舱分别独立密封，其特征在于：所述自主航行观测平台控制系统包括在线监控装置、控制系统A、控制系统B和太阳能发电装置，前舱安装控制系统A和太阳能发电装置A，中舱安装在线监控装置和太阳能发电装置C，后舱安装控制系统B和太阳能发电装置B，在线监控装置通过水密电缆连接控制系统A和控制系统B；控制系统A和控制系统B分别包括嵌入式控制器、导航装置、定位装置、通信装置、调向装置、平台内部状态监测装置和测量装置组成，嵌入式控制器通过串行接口与导航装置、定位装置、通信装置和测量装置连接，嵌入式控制器通过输入/输出接口与平台内部状态监测装置和调向装置连接，嵌入式控制器通过电源管理装置控制导航装置、定位装置、通信装置、调向装置、平台内部状态监测装置和测量装置的上电和掉电。

2.根据权利要求1所述的基于波浪能推动的自主航行观测平台控制系统，其特征在于，在线监控装置内置单片机，单片机通过输入输出接口连接控制系统A和控制系统B；单片机采用工业级芯片PIC12F508作为控制芯片，PIC12F508采用内置晶振。

3.根据权利要求1所述的基于波浪能推动的自主航行观测平台控制系统，其特征在于，在线监控装置通过输出接口控制控制系统A和控制系统B的上电、掉电操作。

4.根据权利要求1所述的基于波浪能推动的自主航行观测平台控制系统，其特征在于，在线监控装置通过输入接口获取平台内部状态信息，包括温度、工作电压和是否漏水，信息传输采用同步脉冲传输方式，脉冲宽度为0.2毫秒，脉冲位数可根据需要增减。

5.根据权利要求1所述的基于波浪能推动的自主航行观测平台控制系统，其特征在于，在线监控装置通过输出接口发送控制信息，正常情况下，输出高低电平，区分主备系统；当控制系统处于低功耗模式时，发送8位同步脉冲，调整控制系统工作模式，同步脉冲宽度为0.2毫秒。

6.根据权利要求1所述的基于波浪能推动的自主航行观测平台控制系统，其特征在于，所述测量装置包括水文、气象、水质、环境测量传感器，CTD安装在前舱下面的前部，温湿度传感器分别安装在前舱和后仓中部，气象传感器安装在后舱表面的后部，ADCP安装在后舱的底部。

7.根据权利要求1所述的基于波浪能推动的自主航行观测平台控制系统，其特征在于所述的舟型浮体两端安装两个避雷针。