CN106950962A - 一种无人艇分布式控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无人艇分布式控制系统，包括协同控制器、通讯控制器、主控制器及与主控制器连接的子系统，子系统包括独立工作和进行信息交互的动力子系统、能源子系统、设备管理子系统、人机交互子系统、安全管理子系统、无人机子系统，动力子系统控制和管理发动机和推进器，能源子系统控制和管理油路和电池组，通讯控制器控制和管理卫星和无线电台，设备管理子系统控制和管理探照灯、稳台和探测设备，人机交互子系统控制和管理操作面板，安全管理子系统控制和管理传感器、排水装置及灭火装置，无人机子系统控制和管理无人机平台。本发明有效避免了集中控制时由于主控制器故障引起的事故和损失。
Description
技术领域
本发明涉及无人艇技术领域，更具体地说，涉及一种无人艇分布式控制系统。
背景技术
无人艇作为新兴的智能化平台，可以搭载不同的应用模块，在安防巡逻、水域测绘、水质监测、辅助作战等方面具有广阔的应用前景。无人艇能替代人工操控常规船艇作业于危险、污染、复杂水域，具有全天候、高精度、高效率等优点，能显著提高水域行业的工作效率和安全性。
国内无人艇的研究还处于起步阶段，涉足的厂家大多从小型无人艇着手研制。这类无人艇主要用于内河、湖泊监测及垃圾清理，由于功能单一、性能要求不高，系统架构相对简单，多采用集中控制方式，任务处理、运动控制等工作都由主CPU完成。然而，对于作业于复杂海况中的海洋无人艇，其环境感知能力、故障诊断能力、自主决策能力、应用搭载能力要求大幅提升，对控制系统的处理速度和能力提出了更高的要求，目前这种集中控制的方式显然无法满足。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种无人艇分布式控制系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种无人艇分布式控制系统，包括协同控制器、通讯控制器、主控制器及与所述主控制器连接的子系统，所述子系统包括独立工作和进行信息交互的动力子系统、能源子系统、设备管理子系统、人机交互子系统、安全管理子系统、无人机子系统，动力子系统控制和管理发动机和推进器，所述能源子系统控制和管理油路和电池组，所述通讯控制器控制和管理卫星和无线电台，所述设备管理子系统控制和管理探照灯、稳台和探测设备，所述人机交互子系统控制和管理操作面板，所述安全管理子系统控制和管理传感器、排水装置及灭火装置，所述无人机子系统控制和管理无人机平台。
在上述方案中，所述协同控制器用于规划、组织和协调无人艇群的协同任务，接收控制中心下发至无人艇群的协同指令并分解至单个无人艇。
在上述方案中，所述通讯控制器连接卫星通讯模块、无线电台，采用多模冗余通信方式，实现无人艇与远程监控中心及无人艇之间的信息交互。
在上述方案中，所述主控制器包括3个CPU，用于解析传感数据，接收控制中心指令或协同控制指令，运行自主控制算法，控制无人艇航行轨迹、智能避障、动力定位、自主靠港停泊，采用环网心跳监测无人艇整体状态、协调各子系统的工作。
在上述方案中，所述动力子系统用于控制发动机、推进器的动作，监测发动机、推进器的各项参数指标。
在上述方案中，所述能源子系统用于对油路和电池组进行实时监测和保护，分配其它各子系统的用电和控制其启停，通过智能算法对油路和电池组的故障进行预判、警告和保护。
在上述方案中，所述设备管理子系统用于控制艇载设备的启停及配置，检测各艇载设备的状态。
在上述方案中，所述人机交互子系统控制操作面板，安装于无人艇上实现有人驾驶或安装于控制中心进行远程遥控和下发无人驾驶指令。
在上述方案中，所述安全管理子系统用于检测艇体温度、进水量的信息，控制艇载排水装置及灭火装置，在艇体温度、进水量异常时启动灭火、排水程序并与能源子系统和动力子系统进行信息交互。
在上述方案中，所述无人机子系统控制无人机平台，对艇载无人机进行自动回收、紧固和充电。
实施本发明一种无人艇分布式控制系统，具有以下有益效果：
1、本发明采用分布式控制思想，将无人艇控制系统按功能划分为多个子系统，各子系统根据当前任务及艇体状态自主决策、控制，与主控制器进行信息交互，有效避免了集中控制时由于主控制器故障引起的事故和损失；对无人艇各功能区域设备分别进行监测和诊断，提升艇体安全性能。
2、本发明中各子系统均采用通用控制单元，硬件统一，根据功能需求不同下载不同软件即可；各子系统之间采用总线通信，统一接口，即插即用，为调试和维护带来了极大的便利性；各子系统可根据不同艇型和应用需求搭配组合，市场响应速度快。
3、本发明中主控制器采用多CPU冗余配置，心跳环网监测，单个CPU故障时可进行任务切换，控制系统的可靠性大幅提升。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为一种无人艇分布式控制系统的结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明提供一种无人艇分布式控制系统，包括协同控制器、通讯控制器、主控制器及与主控制器连接的子系统，子系统包括独立工作同时进行信息交互的动力子系统、能源子系统、设备管理子系统、人机交互子系统、安全管理子系统、无人机子系统，动力子系统控制和管理发动机和推进器，能源子系统控制和管理油路和电池组，通讯控制器控制和管理卫星和无线电台，设备管理子系统控制和管理探照灯、稳台和探测设备，人机交互子系统控制和管理操作面板，安全管理子系统控制和管理传感器、排水装置及灭火装置，无人机子系统控制和管理无人机平台。
本实施例中，协同控制器用于规划、组织和协调无人艇群的协同任务，接收控制中心下发至无人艇群的协同指令并分解至单个无人艇。协同控制器通过通讯子系统与艇群控制系统进行信息交互，上报本艇的总体性能、设备资源、任务模块和健康状态，与艇群内其它无人艇自主协商任务分配，共享环境信息，实现无人艇群的自组网和自主协同控制。
本实施例中，通讯控制器连接卫星通讯模块、无线电台，实现无人艇与远程监控中心及无人艇之间的信息交互。通讯控制器采用多模冗余通信方式，保证重要指令、数据的可靠传输。集群作业时，实现无人艇群的无中心自组网。
本实施例中，主控制器包括3个CPU，分别为CPU1、CPU2和CPU3；CPU1解析惯导、雷达、声呐、气象站等传感数据，进行数据融合处理，计算结果作为智能算法的输入；CPU2接收控制中心指令或协同控制指令，运行自主控制算法，如航迹控制、自主避障、自主靠岸停泊等；CPU3采用环网心跳监测无人艇整体状态、协调各子系统的工作。本发明的主控制器采用双电源和多CPU冗余配置，并进行了独特的环网心跳监测设计；单个CPU故障时可进行任务切换，同时启动设定的告警及保护程序，保证无人艇行驶安全。
本实施例中，动力子系统用于控制发动机、推进器的动作，如控制航行方向和航行速度及平移、旋转等特定动作，监测发动机、推进器的各项参数指标。例如，动力子系统根据艇体吨位、气象信息等数据自动限定无人艇的转弯速度等，保证无人艇航行安全，同时监测发动机、推进器各项参数指标，对其进行健康状态诊断。
本实施例中，能源子系统用于对油路和电池组进行实时监测和保护，分配其它各子系统的用电和控制其启停，通过智能算法对油路和电池组的故障进行预判、警告和保护。能源子系统还对航行任务所需油量、电量进行计算和评估。
本实施例中，设备管理子系统用于控制探照灯、稳台、探测设备等艇载设备的启停、配置及方向，检测各艇载设备的状态。
本实施例中，人机交互子系统控制操作面板，安装于无人艇上，通过操作面板上的方向、油门摇杆等操作元件实现有人驾驶，或安装于控制中心进行远程遥控和下发无人驾驶指令。
本实施例中，安全管理子系统用于检测艇体温度、进水量的信息，控制艇载排水装置及灭火装置，在艇体温度、进水量异常时启动灭火、排水程序并与能源子系统和动力子系统进行信息交互，通知能源子系统和动力子系统采取安全联动措施。
本实施例中，无人机子系统控制无人机平台，对艇载无人机进行自动回收、紧固和充电。
各子系统均采用DC24V供电，通过CAN总线和以太网进行信息交互，各子系统和其所控制设备之间的接口视设备而定。
本实施例以智能航行模式为例，本发明无人艇控制系统的工作流程如下：
(1)通讯控制器和远程监控中心进行信息交互，获取航行任务，根据是否为集群作业模式选择将任务告知主控制器或协同控制器；同时，向监控中心上报无人艇航行状态；通讯控制器根据各通讯链路连接情况，带宽占用率判断通信是否稳定、可靠，通信障碍时可自动切换数据通信通道。
(2)任务需集群作业时，协同控制器与艇群内其它无人艇自主协商任务分配，共享环境信息，实时感知和计算艇群内相对位置和任务同步性，同时，将本艇任务下发至主控制器。
(3)主控制器分解任务，并从惯导、雷达、声呐、气象站等设备获取无人艇航行姿态、环境、路径信息，计算后生成子任务下发至各子系统，同时监测各功能模块状态以判断无人艇是否能继续执行航行任务。
(4)动力子系统根据主控制器下发的指令对发动机、推进器进行控制，使航速、航向达到预期要求。
(5)能源子系统根据主控制下发的指令启动参与本次航行任务的子系统和设备，为其分配合适裕量的电功率，同时计算剩余油量、电量能否完成本次任务。
(6)设备管理子系统根据任务需要控制相应艇载设备工作并采集数据，同时监测设备运行状态。
(7)智能航行模式下，人机交互子系统连接的操作面板上操作元件无效，仅通过液晶屏和语音系统反馈航行关键参数和异常情况。
(8)安全管理子系统实时监测航行过程中艇体温度、水量，异常时自动处理。
(9)无人机子系统根据任务需要在指定地点控制无人机平台舱门打开，松开定位销让无人机起飞执行任务；任务完毕引导无人机降落至平台，紧固、回收、关闭舱门，为无人机充电。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，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，而不是限制性的，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，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种无人艇分布式控制系统，特征在于，包括协同控制器、通讯控制器、主控制器及与所述主控制器连接的子系统，所述子系统包括独立工作和进行信息交互的动力子系统、能源子系统、设备管理子系统、人机交互子系统、安全管理子系统、无人机子系统，所述动力子系统控制和管理发动机和推进器，所述能源子系统控制和管理油路和电池组，所述通讯控制器控制和管理卫星和无线电台，所述设备管理子系统控制和管理探照灯、稳台和探测设备，所述人机交互子系统控制和管理操作面板，所述安全管理子系统控制和管理传感器、排水装置及灭火装置，所述无人机子系统控制和管理无人机平台。
2.根据权利要求1所述的一种无人艇分布式控制系统，其特征在于，所述协同控制器用于规划、组织和协调无人艇群的协同任务，接收控制中心下发至无人艇群的协同指令并分解至单个无人艇。
3.根据权利要求1所述的一种无人艇分布式控制系统，其特征在于，所述通讯控制器连接卫星通讯模块、无线电台，采用多模冗余通信方式，实现无人艇与远程监控中心及无人艇之间的信息交互。
4.根据权利要求1所述的一种无人艇分布式控制系统，其特征在于，所述主控制器包括3个CPU，用于解析传感数据，接收控制中心指令或协同控制指令，运行自主控制算法，控制无人艇航行轨迹、智能避障、动力定位、自主靠港停泊，采用环网心跳监测无人艇整体状态、协调各子系统的工作。
5.根据权利要求1所述的一种无人艇分布式控制系统，其特征在于，所述动力子系统用于控制发动机、推进器的动作，监测发动机、推进器的各项参数指标。
6.根据权利要求1所述的一种无人艇分布式控制系统，其特征在于，所述能源子系统用于对油路和电池组进行实时监测和保护，分配其它各子系统的用电和控制其启停，通过智能算法对油路和电池组的故障进行预判、警告和保护。
7.根据权利要求1所述的一种无人艇分布式控制系统，其特征在于，所述设备管理子系统用于控制艇载设备的启停及配置，检测各艇载设备的状态。
8.根据权利要求1所述的一种无人艇分布式控制系统，其特征在于，所述人机交互子系统控制操作面板，安装于无人艇上实现有人驾驶或安装于控制中心进行远程遥控和下发无人驾驶指令。
9.根据权利要求1所述的一种无人艇分布式控制系统，其特征在于，所述安全管理子系统用于检测艇体温度、进水量的信息，控制艇载排水装置及灭火装置，在艇体温度、进水量异常时启动灭火、排水程序并与能源子系统和动力子系统进行信息交互。
10.根据权利要求1所述的一种无人艇分布式控制系统，其特征在于，所述无人机子系统控制无人机平台，对艇载无人机进行自动回收、紧固和充电。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170714 |