CN107117276B - 一种便携式自主水下航行器的推进与操纵一体化控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种便携式自主水下航行器的推进与操纵一体化控制装置，采用DSP为控制核心，通过CAN总线接收控制管理中心对左水平舵、右水平舵、上垂直舵及下垂直舵的打舵指令，生成相应的四路PWM波(脉冲宽度调制)，控制舵机运转；亦可接收电机转速指令，同时采用双闭环PID调节技术，控制电机转速；此外，当有紧急停车信号时，立即使左、右水平舵打极限上舵。此外，该装置增加了无线通信接口，利用手持式无线设备或计算机，能够设定超深检测告警阀值、极限舵角角度阀值、电机温度告警阀值、PID调节参数、CAN总线通信参数等，并可将全部诊断数据传输至手持式无线设备或计算机，便于快速诊断航行器故障，大大提高使用的便携程度以及功能性。

Description

一种便携式自主水下航行器的推进与操纵一体化控制装置

技术领域

本发明涉及水下航行器控制技术领域，具体为一种便携式自主水下航行器的推进与操纵一体化控制装置。

背景技术

水下自主航行器在航行过程中，其航行姿态以及航行速度分别由舵机和推进电机控制：通过舵机控制舵板(一般由上舵、下舵、左舵、右舵组成)产生一定角度，调节航行器航向和姿态；其航行速度则由通过控制推进电机转速来调节。

目前，同类产品基本采用将推进与操纵控制权限全部集成于航行器内部的主控制单元。由主控制单元分别对推进电机和四台舵机实施控制。其中四台舵机和一台推进电机的控制涉及较为复杂的控制算法，这部分算法如果集中在主控制单元，会大大增加其运算负荷。此外，在硬件电路方面，也会导致需要为主控制单元扩展外围接口电路，使得最终电路板体积较大。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明基于总线形式的控制技术以及推进与操纵一体化的控制思想，将水下航行器的姿态控制和推进控制全部集中在一起，并将这部分功能从主控制单元剥离，采用DSP、CAN总线、双闭环PID调节、高精度采样等技术，提出一种便携式自主水下航行器的推进与操纵一体化控制装置。该装置采用DSP为控制核心，通过CAN总线接收控制管理中心对左水平舵、右水平舵、上垂直舵及下垂直舵的打舵指令，生成相应的四路PWM波(脉冲宽度调制)，控制舵机运转；亦可接收电机转速指令，同时采用双闭环PID调节技术，控制电机转速；此外，当有紧急停车信号时，立即使左、右水平舵打极限上舵。此外，该装置增加了无线通信接口，利用手持式无线设备或计算机，能够设定超深检测告警阀值、极限舵角角度阀值、电机温度告警阀值、PID调节参数、CAN总线通信参数等，并可将全部诊断数据传输至手持式无线设备或计算机，便于快速诊断航行器故障，大大提高使用的便携程度以及功能性。

本发明的技术方案为：

所述一种便携式自主水下航行器的推进与操纵一体化控制装置，其特征在于：包括DSP处理器、超深检测传感器、无线通信接口、CAN通信接口、IPM芯片及外围电路、电源转换电路；

DSP处理器通过CAN通信接口接收水下航行器控制管理中心对左水平舵、右水平舵、上垂直舵及下垂直舵下达的操舵指令，以及推进电机的转速指令；DSP处理器根据操舵指令产生并输出相应占空比的四路PWM信号分别至四路舵机信号线，控制四路舵机运转；DSP处理器根据推进电机的转速指令，输出控制电压信号控制IPM芯片内部六个功率管进行三相全桥驱动，实现转速调节，使推进电机转速根据控制要求进行改变；

超深检测传感器检测水下航行器航行深度，并发送给DSP处理器，当发生超深工况时，DSP处理器发出超深控制指令，使电机停转且左、右水平舵打极限上舵；

DSP处理器通过无线通信接口接收无线设备传输的超深工况检测阀值，并将推进电机运行状态数据以及舵机舵角数据回传至无线设备；

所述电源转换电路将水下航行器电源输出电压转换为控制装置中各元器件和电路所需供电电压。

进一步的优选方案，所述一种便携式自主水下航行器的推进与操纵一体化控制装置，其特征在于：还包括EEPROM存储模块，DSP处理器将推进电机运行状态数据以及舵机舵角数据实时存储在EEPROM存储模块中。

进一步的优选方案，所述一种便携式自主水下航行器的推进与操纵一体化控制装置，其特征在于：还包括霍尔位置传感器，霍尔位置传感器安装在推进电机中，霍尔位置传感器的输出信号输出至DSP处理器，推进电机的电压和电流信号也输出至DSP处理器；DSP处理器根据推进电机的转速指令、根据霍尔位置传感器计算得到的电机实时转速、以及推进电机的电压和电流信号，根据双闭环PID调节算法，控制IPM芯片内部六个功率管的开关状态，实现转速调节。

进一步的优选方案，所述一种便携式自主水下航行器的推进与操纵一体化控制装置，其特征在于：还包括采样芯片、数字电位器、运算放大器、矩阵开关、温度传感器和振动传感器；

所述温度传感器采用贴片式三线制电阻温度传感器，并通过耐温粘合剂安装在电机绕组表面；

所述振动传感器采用磁吸两轴式振动传感器，两台振动传感器分别吸附在便携式自主水下航行器壳体内侧和电机本体上，且两台振动传感器安装位置连线与便携式自主水下航行器纵向轴线正交；

DSP处理器控制数字电位器输出基准电压至运算放大器；运算放大器将电压信号转换为激励电流信号并输出至矩阵开关；DSP处理器控制矩阵开关对应通道的开启与关断；通过矩阵开关将激励电流信号输出至温度传感器；温度传感器将采集的电压信号输出至采样芯片；振动传感器输出的电流信号经过信号转换电路转换为电压信号输出至采样芯片；采样芯片根据基准电压芯片输出的基准电压，完成对两路电压信号的采集；采样芯片将采集到的数据信息发送至DSP处理器。

有益效果

本发明提出的便携式自主水下航行器的推进与操纵一体化控制装置，将水下航行器的姿态控制和推进控制全部集中在一起，并将这部分功能从主控制单元剥离，减小了主控制单元的硬件体积。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：本发明的系统框图；

图2：IPM控制电路示意图；

图3：无线通信单元示意图；

图4：CAN总线通信单元示意图；

图5：电源转换电路示意图；

图6：电压电流检测单元；

图7：HALL传感器检测单元；

图8：对推进电机故障监测预警系统示意图；

图9：温度传感器安装示意图；

图10：振动传感器安装示意图；

图11：采样芯片及基准电压电路示意图；

图12：数字电位器和运放电路示意图；

图13：矩阵开关电路示意图；

图14：信号转换电路示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本实施例中的便携式自主水下航行器基于总线形式的控制技术以及推进与操纵一体化的控制思想，将水下航行器的姿态控制和推进控制全部集中在一起，并将这部分功能从主控制单元剥离，形成了推进与操纵一体化控制装置。该装置采用DSP为控制核心，通过CAN总线接收控制管理中心对左水平舵、右水平舵、上垂直舵及下垂直舵的打舵指令，生成相应的四路PWM波(脉冲宽度调制)，控制舵机运转；亦可接收电机转速指令，同时采用双闭环PID调节技术，控制电机转速；此外，当有紧急停车信号时，立即使左、右水平舵打极限上舵。此外，该装置增加了无线通信接口，利用手持式无线设备或计算机，能够设定超深检测告警阀值、极限舵角角度阀值、电机温度告警阀值、PID调节参数、CAN总线通信参数等，并可将全部诊断数据传输至手持式无线设备或计算机，便于快速诊断航行器故障，大大提高使用的便携程度以及功能性。

另外，本实施例中的便携式自主水下航行器采用永磁无刷直流电机作为其推进电机，需要应对复杂多变的水文环境和严苛的动力控制要求，推进电机在发生诸如堵转、碰撞、过载等故障时，其温度和振动状态往往会发生较为明显变化。因此，通过监测电机运行时温度和振动变化，即可实现推进电机故障的监测和预警。所以本实施例中还涉及便携式自主水下航行器推进电机故障监测预警，通过高精度、多功能采样电路结合安置在电机本体的温度传感器、振动传感器，实现了推进电机温度和振动数据的采集，进而实现推进电机故障的监测和预警。

本实施例中的便携式自主水下航行器的推进与操纵一体化控制装置，包括DSP处理器、超深检测传感器、无线通信接口、CAN通信接口、IPM芯片及外围电路、电源转换电路以及EEPROM存储电路模块。

DSP处理器为TMSF2812芯片及其最小系统电路，CAN通信接口为CTM1050CAN总线通信芯片，无线通信接口为433MHz无线通信模块，EEPROM存储电路模块为ATMEL 24C512芯片，电源转换电路主要由TPS70351芯片组成，主要实现5V转3.3V，和5V转1.8V的功能，IPM及外围电路为三菱PM50RSA120IPM模块。

如图2所示，IPM控制电路采用三菱PM50RSA120IPM模块，设计了如下控制电路：选择6路DSP处理器的IO口，并通过0466高速光耦与IPM的控制引脚相连接，6路控制信号负责IPM内部功率管的开关控制。另取3路DSP处理器IO口，通过TLP521光耦与IPM故障信号引脚相连接，用于IPM内部功率器件故障检测。

如图3所示，利用DSP处理器自身的串行通信接口，结合MAX485芯片和无线射频模块，实现无线通信。DSP处理器的串行输入、串行输出、串行时钟信号，经过光耦隔离，连接至MAX485芯片；将MAX485的RS485信号，输出至无线射频模块。

如图4所示，采用CTM1050芯片作为CAN通信的主芯片，结合DSP处理器内部含有CAN通信功能模块，实现符合CAN总线通信，并且设计了具备CAN总线通信波特率自适应的通信机制。图4中，CANTXA，CANRXA均有DSP处理器产生并输出，以上两路信号经过CTM1050芯片处理，转换为符合CAN总线电平规范的CAN+\CAN-输出。

如图5所示，电源转换电路主要由TPS70351芯片及其附属电路构成，主要实现DSP处理器内核所需3.3V\1.8V电平的转换与输出。5V的基准输入，经过TPS70351芯片处理后，即可实现5V、3.3V输出。

如图6所示，采用电磁感应式电压传感器进行电压电流检测，该传感器采用-3V---+3V电压输出，所以采用双极性电压采样电路。

如图7所示，霍尔传感器检测电机自带三路霍尔信号输出，即U\V\W位置信号输出，利用TLP521-4光耦，将位置信号隔离输入至DSP处理器IO引脚，用于电机转子实时位置的计算。

DSP处理器通过CAN通信接口接收水下航行器控制管理中心对左水平舵、右水平舵、上垂直舵及下垂直舵下达的操舵指令，以及推进电机的转速指令；DSP处理器根据操舵指令产生并输出相应占空比的四路PWM信号分别至四路舵机信号线，控制四路舵机运转；DSP处理器根据推进电机的转速指令，输出控制电压信号控制IPM芯片内部六个功率管进行三相全桥驱动，叠加一定占空比的PWM波，实现转速调节，使推进电机转速根据控制要求进行改变。本实施例中的CAN总线通信接口，具备波特率自适应功能，可大大减少波特率设定的繁琐工作。

本实施例中，还在推进电机中设计安装有霍尔位置传感器以及电磁感应式LEM电流电压传感器，霍尔位置传感器的输出信号输出至DSP处理器，推进电机的电压和电流信号也输出至DSP处理器；DSP处理器根据推进电机的转速指令、根据霍尔位置传感器计算得到的电机实时转速、以及推进电机的电压和电流信号，根据双闭环PID调节算法，控制IPM芯片内部六个功率管的开关状态，实现转速调节。

超深检测传感器检测水下航行器航行深度，并发送给DSP处理器，当发生超深工况时，DSP处理器发出超深控制指令，使电机停转且左、右水平舵打极限上舵。

DSP处理器通过无线通信接口接收无线设备传输的超深工况检测阀值，并将推进电机运行状态数据(包括电机电流、电机电压、电机温度)以及舵机舵角数据回传至无线设备，便于后期故障分析以及数据处理。

此外在控制装置中还设计有EEPROM存储模块，DSP处理器将推进电机运行状态数据以及舵机舵角数据实时存储在EEPROM存储模块中，具备掉电非易失性，可实现数据可靠存储。

通过该装置具体的实施包括以下步骤：

步骤1：电源转换电路上电工作，输出控制装置中各元器件和电路所需的5V、3.3V、1.8V电压，为控制器内部所有元器件和电路供电。启动成功后，本装置通过CAN总线发送“启动成功”报文至控制管理中心。

步骤2：控制管理中心接收到推进与操纵一体化控制装置成功启动的指令后，随即将转速指令和操舵指令，通过CAN总线发送至推进与操纵一体化控制装置。

步骤3：推进与操纵一体化控制装置内部的DSP处理器根据接收到的舵角指令后，随即改变内部比较单元中比较寄存器的值，使之生成相应占空比的PWM波，舵机的控制单元根据此PWM波，做出对应操舵角度。

步骤4：DSP处理器接收到的转速指令后，实时测得的霍尔位置传感器信号，计算当前电机实时转速，同时采集电机电流、电压利用双闭环PID调节算法，控制IPM内部六个功率管的开关状态，实现转速调节。

步骤5：在步骤3和步骤4实施的同时，推进与操纵一体化控制装置可监测电机定、转子温度以及振动信号，为电机的告警与保护，提供实时数据。

步骤6：DSP处理器可将本控制装置运行过程中所有过程数据进行打包，通过并行总线访问EEPROM芯片，实现数据的存储于读取。

步骤7：在本发明装置运行的过程中，所有状态数据亦可用过无线通信接口，将所有EEPROM存储的数据，发送至外部无线通信终端(PC或手持式终端)，便于工程人员的检测与维护。亦可接收来自外部无线通信终端(PC或手持式终端)的有关设置指令，实现超深超温告警阀值的设定。

另外，如上所述，便携式自主水下航行器需要应对复杂多变的水文环境和严苛的动力控制要求。因此，对其进行故障监测和预警，可有效保证水下航行器的安全运行，具有十分重要的现实意义。推进电机在发生诸如堵转、碰撞、过载等故障时，其温度和振动状态往往会发生较为明显变化。因此，通过监测电机运行时温度和振动变化，即可实现推进电机故障的监测和预警。

如图8所示，本实施例中通过高精度、多功能采样电路结合安置在电机本体的温度传感器、振动传感器，实现了推进电机温度和振动数据的采集，进而实现推进电机故障的监测和预警。

所述温度传感器采用贴片式三线制电阻温度传感器PT100温度传感器，温探头为10mm(长)×10mm(宽)×1mm(高)型金属薄片，如图9所示，通过耐温粘合剂安装在电机绕组表面。

所述振动传感器采用磁吸两轴(X轴和Y轴)式振动传感器HKS-VIB-002型振动传感器，如图10所示，两台振动传感器分别吸附在便携式自主水下航行器壳体内侧和电机本体上，且两台振动传感器安装位置连线与便携式自主水下航行器纵向轴线正交。

另外采样电路包括采样芯片、数字电位器、运算放大器、矩阵开关。采样芯片为AD7912采样芯片，数字电位器为AD5201芯片，运算放大器为AD8603芯片，矩阵开关为ADG738芯片，另外基准电压芯片为ADR3440芯片。

采样芯片及基准电压电路如图11所示，采样芯片选取AD7192芯片，基准电压芯片采用ADR3440芯片，ADR3440的供电电压为5V，可输出4.096基准电压。该电压输出至采样芯片REFIN+和REFIN-引脚，作为其AD采样电压基准。AD7192芯片是一款超低噪声ADC，内置调制器、缓冲器、PGA和片内数字滤波。数字电位器和运放电路如图12所示，选用AD5201数字电位器，其采用5V供电，具备串行访问接口，可接收DSP处理器的串行指令，并根据相关指令完成特定电压输出，该电压通过W引脚输出，之后，该信号进入AD8603运算放大器；至此该数字电位器和运放共同组成一个恒流源，该电流信号输出至矩阵开关。矩阵开关电路如图13所示，选用ADG738矩阵开关芯片，DSP处理器通过串行接口，控制器通道输出，本发明通过该矩阵开关，实现三线制温度传感器的测量控制。信号转换电路如图14所示，4-20mA电流信号从CNA2_1和CNA2_2进入高精度电阻R40，并在电阻上产生压降，采样芯片通过测量CurTest2和AGND-71之间电压，即可间接测得输入电流值。

DSP处理器以串行方式访问数字电位器，通过对数字电位器内部相关寄存器的读写操作，使得该数字电位器输出2.5V基准电压至运算放大器；运算放大器将电压信号转换为一个激励电流信号Ia，并输出至矩阵开关；DSP处理器通过SPI接口访问矩阵开关，控制矩阵开关相关通道的开启与关断；通过矩阵开关将激励电流信号输出至温度传感器，本实施例中温度传感器采用贴片式三线制电阻温度传感器PT100温度传感器，通过矩阵开关的控制能够最大程度减少引线电阻效应。

温度传感器将采集的电压信号输出至采样芯片。振动传感器输出的4-20mA电流信号经过信号转换电路转换为电压信号输出至采样芯片；信号转换电路采用高精度采样电阻，电流信号流经该采样电阻，产生压降将4-20mA信号转换为采样芯片可识别的电压信号。采样芯片根据基准电压芯片输出的基准电压，完成对两路电压信号的采集，采样芯片具备内部去噪机制。采样芯片通过SPI接口访问DSP处理器，将采集到的数据信息发送至DSP处理器。DSP处理器根据实时输入的电机温度和振动数据，判断便携式自主水下航行器推进电机状态，当达到设定条件时，做出预警和采取紧急保护措施。

本实施例中还设计了模拟实验，有效验证了本发明装置监测和预警的有效性。具体实验验证步骤如下：

1、采用相关实验设备，模拟搭建了自主水下航行器推进电机水下模拟环境，并将推进电机置于该模拟环境，使其在额定工况下正常运行。此时，本发明装置测得电机的运行温度变化范围45---60摄氏度，振动烈度变化范围0—4mm/s。

2、利用相关对拖装置和模拟负载，使推进电机处于堵转的极限工况。此时测得电机温度迅速上升至75摄氏度以上。振动烈度增大至6mm/s以上。此时，本发明装置向电机控制器发出故障预警信号。

3、电机控制器接收到本发明装置发出的故障预警信号后，迅速采取一系列保护措施，切断推进电机主电源，有效防止了推进电机进一步损坏。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种便携式自主水下航行器的推进与操纵一体化控制装置，其特征在于：包括DSP处理器、超深检测传感器、无线通信接口、CAN通信接口、IPM芯片及外围电路、电源转换电路；

DSP处理器通过CAN通信接口接收水下航行器控制管理中心对左水平舵、右水平舵、上垂直舵及下垂直舵下达的操舵指令，以及推进电机的转速指令；DSP处理器根据操舵指令产生并输出相应占空比的四路PWM信号分别至四路舵机信号线，控制四路舵机运转；DSP处理器根据推进电机的转速指令，输出控制电压信号控制IPM芯片内部六个功率管进行三相全桥驱动，实现转速调节，使推进电机转速根据控制要求进行改变；

超深检测传感器检测水下航行器航行深度，并发送给DSP处理器，当发生超深工况时，DSP处理器发出超深控制指令，使电机停转且左、右水平舵打极限上舵；

DSP处理器通过无线通信接口接收无线设备传输的超深工况检测阀值，并将推进电机运行状态数据以及舵机舵角数据回传至无线设备；

所述电源转换电路将水下航行器电源输出电压转换为控制装置中各元器件和电路所需供电电压。

2.根据权利要求1所述一种便携式自主水下航行器的推进与操纵一体化控制装置，其特征在于：还包括EEPROM存储模块，DSP处理器将推进电机运行状态数据以及舵机舵角数据实时存储在EEPROM存储模块中。

3.根据权利要求1或2所述一种便携式自主水下航行器的推进与操纵一体化控制装置，其特征在于：还包括霍尔位置传感器，霍尔位置传感器安装在推进电机中，霍尔位置传感器的输出信号输出至DSP处理器，推进电机的电压和电流信号也输出至DSP处理器；DSP处理器根据推进电机的转速指令、根据霍尔位置传感器计算得到的电机实时转速、以及推进电机的电压和电流信号，根据双闭环PID调节算法，控制IPM芯片内部六个功率管的开关状态，实现转速调节。

4.根据权利要求3所述一种便携式自主水下航行器的推进与操纵一体化控制装置，其特征在于：还包括采样芯片、数字电位器、运算放大器、矩阵开关、温度传感器和振动传感器；

所述温度传感器采用贴片式三线制电阻温度传感器，并通过耐温粘合剂安装在电机绕组表面；

所述振动传感器采用磁吸两轴式振动传感器，两台振动传感器分别吸附在水下航行器壳体内侧和电机本体上，且两台振动传感器安装位置连线与水下航行器纵向轴线正交；

DSP处理器控制数字电位器输出基准电压至运算放大器；运算放大器将电压信号转换为激励电流信号并输出至矩阵开关；DSP处理器控制矩阵开关对应通道的开启与关断；通过矩阵开关将激励电流信号输出至温度传感器；温度传感器将采集的电压信号输出至采样芯片；振动传感器输出的电流信号经过信号转换电路转换为电压信号输出至采样芯片；采样芯片根据基准电压芯片输出的基准电压，完成对两路电压信号的采集；采样芯片将采集到的数据信息发送至DSP处理器。