CN107102639A - 一种深海采矿车的行驶控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深海采矿车的行驶控制系统，包括主控机、行驶执行单元、导航装置、检测装置和辅助运动控制单元，主控机与行驶执行单元、导航装置、检测装置和辅助运动控制单元分别连接，主控机对导航装置传输来的数据进行分析、计算轨迹误差、实时修正路径和对运动轨迹进行跟踪；行驶执行单元由主控机控制，对采矿车的行驶速度、直线行驶及绕障和转弯掉头进行控制操作；行驶执行单元还与导航装置连接，导航装置对行驶执行单元的行使数据进行采集；检测装置和辅助运动控制单元对采矿车的运动状态进行检测和下一运动状态进行预估，将结果传输给主控机，以控制行驶执行单元。在复杂的海底环境下，实现对采矿车精确的航迹推算、定位和行驶控制。
Description
技术领域
本发明属于电控系统领域，特别地涉及一种深海采矿车的行驶控制系统。
背景技术
众所周知，地球表面超过70％的面积都被浩瀚的海洋所包围，是名副其实的蓝色星球。海洋在人类的发展繁衍中发挥着举足轻重的作用,不仅是地球气候的调节器，更蕴藏着无穷无尽的自然资源。除海洋石油气资源和海滨矿砂外，海底目前已知有商业开采价值的还有多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物等金属矿产资源。这些矿物中富含镍、钴、铜、锰及金、银金属等，总储量分别高出陆上相应储量的几十倍到几千倍。其中，稀有金属钴更是被称为21世纪的“新金属”，在现代工业中，其应用领域不断扩大，钴的需求量也呈增长态势。目前，陆地上的钴资源主要作为铜、镍金属矿床的伴生元素存在，且全球分布极不均匀。陆地上钴含量大于0.1％的矿床为数很少，钴储量严重不足。相比之下，海底富钴结壳的含量则大得多，据推测钴资源含量达到了3×109t。2013年，我国又正式获得一块太平洋富钴结壳矿区的开发权。可以看出，海洋在矿产资源开发方面具有非常大的潜力，我国也应积极部署发展深海工程装备与高科技船舶。正是在这样的时代背景下，国家在中央十八大报告中提出，要努力将我国建设成“海洋强国”，具体包括加大海洋资源的开发、推动海洋经济的发展，提高海洋科技的创新，抓紧海洋生态文明的建设以及加强海洋权益的维护。而在2015年5月19日公布的《中国制造2025》报告中，国家又明确提出了“制造强国”的新战略，把“深海工程装备及高科技船舶”归为重点突破的十大战略领域之一，要着重进行先进海洋工程装备的研发和国有化。
由于在海底复杂环境下驱动轮可能会打滑，基于驱动轮速的航迹推算可能有较大的误差。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种深海采矿车的行驶控制系统，能够预先规划路径，驱动采矿车行驶执行单元，控制行驶速度，实现直线行驶或绕障。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种深海采矿车的行驶控制系统，
鉴于结壳矿区的微地形特征，采矿车在海底行走时采用手动方式控制，采掘作业时设定按直线方式行走，行走机构采用四轮驱动和两轮驱动两种驱动方式：四轮驱动，可通过控制四液压马达的转速及其方向来控制采矿车的运动，控制灵活，转弯半径很小，甚至实现原地转向，路况良好时，采用四轮驱动；两轮驱动，路况恶劣时，采用两轮驱动，并可根据情况选择前驱或后驱，动力性好，越障及通过性较高。两种不同的驱动的方式使得行走更加灵活。具体到内部行驶控制系统，包括主控机、行驶执行单元、导航装置、检测装置和辅助运动控制单元，其中，
所述主控机与行驶执行单元、导航装置、检测装置和辅助运动控制单元分别连接，主控机对导航装置传输来的数据进行分析、计算轨迹误差、实时修正路径和对运动轨迹进行跟踪；
所述行驶执行单元由主控机控制，对采矿车的行驶速度、直线行驶及绕障和转弯掉头进行控制操作；行驶执行单元还与导航装置连接，导航装置对行驶执行单元的行使数据进行采集；
所述检测装置和辅助运动控制单元对采矿车的运动状态进行检测和下一运动状态进行预估，将结果传输给主控机，以控制行驶执行单元。
优选地，所述主控机包括路径规划单元、轨迹误差计算单元、轨迹跟踪单元和运动状态预估单元，所述路径规划单元与所述行驶执行单元连接，预先规划路径和驱动行驶执行单元；所述轨迹误差计算单元的输入与导航装置的输出连接，输出与轨迹跟踪单元连接，将导航装置采集到的数据进行轨迹误差计算和运动轨迹跟踪，所述轨迹跟踪单元的输出与检测装置连接；所述运动状态预估单元的输入与导航装置、检测装置和辅助运动控制单元分别连接，输出与行驶执行单元连接。
优选地，所述导航装置包括声学发射应答器、激光陀螺仪和姿态传感器。
优选地，所述检测装置包括离底高度计、机械运行检测传感器和温盐深仪。
优选地，所述辅助运动控制单元包括水下照明灯和水下摄像机。
优选地，所述机械运行检测传感器至少包括位移传感器、压力传感器、转速检测传感器、电压监测传感器和电流检测传感器。
优选地，还包括通讯装置，所述通讯装置包括水下光端机、甲板光端机、视频监控台和甲板操作台，所述水下光端机与主控机和甲板光端机分别连接；所述甲板光端机与视频监控台和甲板操作台分别连接。
优选地，所述水下光端机与主控机通过RS-232总线连接。
优选地，所述水下光端机与甲板光端机通过光纤连接。
优选地，所述甲板光端机与视频监控台和甲板操作台皆通过以太网连接通讯。
本发明通过以上设置有益效果至少包括以下几点：
(1)可以按照实际情况选择两种不同的驱动的方式，使得采矿车行走更加灵活，并且能适应复杂的海底地形；
(2)采用具有声学定位修正功能的导航装置，对采矿车的行驶方位和轨迹进行采集，并反馈给主控机；
(3)增加测速的检测装置，减小基于驱动轮速的航迹推算误差，提高采矿车的定位精度；
(4)检测装置中的机械运行检测传感器对电压，电流，漏电，漏水，压力，转角，位置，转速，力或扭矩等都可进行数据采集；
(5)系统采用模块化的设计，即便于维护，又节省空间；
(6)激光陀螺仪可以不收磁场干扰，提高了定位的精度。
附图说明
图1为本发明实施例1的深海采矿车的行驶控制系统的结构示意图；
图2为本发明实施例2的深海采矿车的行驶控制系统的结构示意图；
图3为本发明实施例3的深海采矿车的行驶控制系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
参见图1所示为本实施例1的深海采矿车的行驶控制系统结构示意图，包括主控机10、行驶执行单元20、导航装置30、检测装置40和辅助运动控制单元50，其中，
主控机10与行驶执行单元20、导航装置30、检测装置40和辅助运动控制单元50分别连接，主控机10对导航装置30传输来的数据进行分析、计算轨迹误差、实时修正路径和对运动轨迹进行跟踪；
行驶执行单元20由主控机10控制，对采矿车的行驶速度、直线行驶及绕障和转弯掉头进行控制操作；行驶执行单元20还与导航装置30连接，导航装置30对行驶执行单元20的行使数据进行采集；
检测装置40和辅助运动控制单元50对采矿车的运动状态进行检测和下一运动状态进行预估，将结果传输给主控机10，以控制行驶执行单元20。
通过上述设置，主控机10采用STM32F103VCT6芯片对数据进行分析，控制行驶执行单元20对采矿车的驱动，改变行驶速度，控制直线行驶或绕障，转弯掉头操作；利用导航装置30对采矿车所处的环境进行感知，将相关数据传送至主控机10，主控机10根据数据对行驶的路径进行修正后再输出给行驶执行单元20；检测装置40和辅助运动控制单元50对所处的水深、电压、电流、转角、转速、力或扭矩等进行检测后发送给主控机10，以供主控机10对行驶执行单元20更好地输出控制信号。
实施例2
参见图2所示为本实施例2的深海采矿车的行驶控制系统结构示意图，主控机10包括路径规划单元110、轨迹误差计算单元120、轨迹跟踪单元130和运动状态预估单元140，路径规划单元110与行驶执行单元20连接，预先规划路径和驱动行驶执行单元20；轨迹误差计算单元120的输入与导航装置30的输出连接，输出与轨迹跟踪单元130连接，将导航装置30采集到的数据进行轨迹误差计算和运动轨迹跟踪，轨迹跟踪单元130的输出与检测装置40连接；运动状态预估单元140的输入与导航装置30、检测装置40和辅助运动控制单元50分别连接，输出与行驶执行单元20连接。
导航装置30包括声学发射应答器、激光陀螺仪和姿态传感器，根据激光陀螺仪测定的方位角和行驶速度，计算行程和位置，然后通过轨迹误差计算单元120、轨迹跟踪单元130和检测装置40进行路径的反馈控制实现轨迹跟踪；利用运动状态预估单元140的输出作为行驶执行单元20设定值的修正量，以便根据路径偏差及时改变设定值，并以运动状态预估单元140输出作为左右履带速度设定值的修正量，以便根据方位角的偏差及时改变，从而改变行驶方向，实现路径控制。
检测装置40包括离底高度计、机械运行检测传感器和温盐深仪，其中机械运行检测传感器至少包括位移传感器、压力传感器、转速检测传感器、电压监测传感器和电流检测传感器，还可以包括漏电传感器、漏水传感器和转角传感器等。
辅助运动控制单元50包括水下照明灯和水下摄像机，可以在水下更好地进行导航和检测。
实施例3
参见图3所示为本实施例3的深海采矿车的行驶控制系统结构示意图，还包括通讯装置，通讯装置包括水下光端机60、甲板光端机70、视频监控台80和甲板操作台90，水下光端机60与主控机10和甲板光端机70分别连接；甲板光端机70与视频监控台80和甲板操作台90分别连接，甲板光端机70、视频监控台80和甲板操作台90在水上，数据、命令和视频信号都通过水下光端机60和甲板光端机70之间进行传输，甲板操作台90接收由水下光端机60发送至甲板光端机70的数据，同时将控制命令通过甲板光端机70传送至水下光端机60；视频监控台80接收由水下光端机60传至甲板光端机70的视频信号，对水下情况进行实时监视。
水下光端机60与主控机10通过RS-232总线连接；水下光端机60与甲板光端机70通过光纤连接；甲板光端机70与视频监控台80和甲板操作台90皆通过以太网连接通讯。
具体实施例中，水下部分有水下光端机60、主控机10、声学发射应答器、激光陀螺仪、温盐深仪，姿态传感器、离地高度计、水下照明灯、水下摄像机、以及其他各类传感器(位移传感器，压力传感器，转速传感器，电压电流检测传感器)组成。声学发射应答器和主控机10之间通过RS232总线连接，激光陀螺仪和主控机10之间通过以太网连接，姿态传感器和主控机10之间通过I2C总线连接，离地高度计和主控机10之间通过RS232总线连接，温盐深仪和主控机10之间通过RS232总线连接；位移传感器，压力传感器，电流检测传感器，电压检测传感器，都是和主控机10上的芯片(STM32F103VCT6)的模数变换器(AD)连接，转速检测器产生的数字脉冲信号直接和主控机10上的芯片(STM32F103VCT6)引脚(IO)连接。水下照明灯和主控机10上的芯片(STM32F103VCT6)引脚(IO)连接。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种深海采矿车的行驶控制系统，其特征在于，包括主控机、行驶执行单元、导航装置、检测装置和辅助运动控制单元，其中，
所述主控机与行驶执行单元、导航装置、检测装置和辅助运动控制单元分别连接，主控机对导航装置传输来的数据进行分析、计算轨迹误差、实时修正路径和对运动轨迹进行跟踪；
所述行驶执行单元由主控机控制，对采矿车的行驶速度、直线行驶及绕障和转弯掉头进行控制操作；行驶执行单元还与导航装置连接，导航装置对行驶执行单元的行使数据进行采集；
所述检测装置和辅助运动控制单元对采矿车的运动状态进行检测和下一运动状态进行预估，将结果传输给主控机，以控制行驶执行单元。
2.如权利要求1所述的深海采矿车的行驶控制系统，其特征在于，所述主控机包括路径规划单元、轨迹误差计算单元、轨迹跟踪单元和运动状态预估单元，所述路径规划单元与所述行驶执行单元连接，预先规划路径和驱动行驶执行单元；所述轨迹误差计算单元的输入与导航装置的输出连接，输出与轨迹跟踪单元连接，将导航装置采集到的数据进行轨迹误差计算和运动轨迹跟踪，所述轨迹跟踪单元的输出与检测装置连接；所述运动状态预估单元的输入与导航装置、检测装置和辅助运动控制单元分别连接，输出与行驶执行单元连接。
3.如权利要求1所述的深海采矿车的行驶控制系统，其特征在于，所述导航装置包括声学发射应答器、激光陀螺仪和姿态传感器。
4.如权利要求1所述的深海采矿车的行驶控制系统，其特征在于，所述检测装置包括离底高度计、机械运行检测传感器和温盐深仪。
5.如权利要求1所述的深海采矿车的行驶控制系统，其特征在于，所述辅助运动控制单元包括水下照明灯和水下摄像机。
6.如权利要求4所述的深海采矿车的行驶控制系统，其特征在于，所述机械运行检测传感器至少包括位移传感器、压力传感器、转速检测传感器、电压监测传感器和电流检测传感器。
7.如权利要求1所述的深海采矿车的行驶控制系统，其特征在于，还包括通讯装置，所述通讯装置包括水下光端机、甲板光端机、视频监控台和甲板操作台，所述水下光端机与主控机和甲板光端机分别连接；所述甲板光端机与视频监控台和甲板操作台分别连接。
8.如权利要求7所述的深海采矿车的行驶控制系统，其特征在于，所述水下光端机与主控机通过RS-232总线连接。
9.如权利要求7所述的深海采矿车的行驶控制系统，其特征在于，所述水下光端机与甲板光端机通过光纤连接。
10.如权利要求7所述的深海采矿车的行驶控制系统，其特征在于，所述甲板光端机与视频监控台和甲板操作台皆通过以太网连接通讯。
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