CN107756403A - 一种模块化自主水下探查机器人控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化自主水下探查机器人控制系统及方法，包括智能总线、智能导航控制节点、智能探查节点、智能推进节点、智能能源节点组成，智能总线由能源总线、千兆网通信总线、CAN通信总线、光通信总线、同步总线、应急总线组成；该发明通过设计适合探查型水下机器人的智能总线和智能节点，充分保证了控制系统的模块化、可靠性，以及可扩展性，同时又满足了扩展其它应用于水下的光学和声学探查设备所需的硬件条件；本发明公开了一种模块化自主水下机器人的分布式控制系统设计方法，在设计控制系统时，充分考虑了电磁兼容、声兼容、高/低速数据通信、故障检测和自救措施等因素。

Description

一种模块化自主水下探查机器人控制系统及方法

技术领域

本发明涉及水下机器人技术设备领域，特别涉及一种模块化自主水下探查机器人控制系统及方法；适用于自主水下机器人、遥控水下机器人、水面无人船等类型海洋机器人的控制系统及方法。

背景技术

智能无人海洋探查装备是未来海洋机器人发展的重要方向，不仅对于水下考古、海底测绘、管线检查等民用领域具有重要的意义。更重要的是智能海洋探查装备对国家海事安全、航道安全、海底搜救等都具有十分广泛的用途。

自主水下探查机器人控制系统一般包括：导航控制模块、能源模块、推进模块、探查模块和总线模块。其中，导航控制模块主要完成水下机器人的高精度自主导航、运动控制、设备控制、数据采集记录和故障诊断与处理；能源模块主要为其它模块提供动力，并实时监测能源模块的运行状态和健康监测；推进模块主要根据导航控制模块下达的指令实现推进系统的动作，并实时监测推进系统的运行状态和健康状况；探查模块主要根据使命要求完成对特定任务的探查功能；总线模块实现动力、信号传输、声学同步和应急监测。

现有技术中，传统的模块化水下机器人系统，一般极少考虑声兼容、高/低速信号传输，以及分布式系统应急等因素，这些缺陷往往导致水下机器人，特别是微小型机器人在扩展水下探查应用时性能不佳或系统可靠性不足。为了更好的发挥水下机器人水下运动稳定性高、水下探查设备探测性能优的特点，亟需一种满足高端无人海洋探查装备的分布式控制、能源和数据传输、声兼容，以及系统可靠性和扩展性要求的控制系统及方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种模块化自主水下探查机器人控制系统及方法，针对现有技术中的不足，综合配置光学和声学探查中声兼容、高低速数据传输、分布式故障监测的基础上，设计模块化自主水下探查机器人的控制系统，并通过控制方法提高了探查型水下机器人的可靠性、扩展性。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种模块化自主水下探查机器人控制系统，包括智能总线、智能探查节点、智能导航控制节点、智能能源节点、智能推进节点，其特征在于：

所述智能总线与智能探查节点、智能能源节点、智能导航控制节点和智能推进节点相互电气信号连接；所述智能总线包括能源总线、通信总线、应急总线；依据使用光学或声学探查模块还分别包括光通信总线或者千兆网通信总线、同步总线；所述智能探查节点至少包含一种满足用户使用要求的光学或声学探查模块；所述智能能源节点至少包括一种满足容量和功率需求、具备故障在线诊断的能源模块；所述智能导航控制节点至少具备高精度水下自主导航、精确轨迹控制、数据记录、故障在线诊断功能的控制模块；所述智能推进节点设置有智能驱动模块，所述智能驱动模块至少包含一种满足耐压和运动控制要求、具备故障检测功能的水下驱动执行模块；

所述智能总线具备分布式控制系统中的电磁兼容、声兼容、高/低速数据通信、故障检测和自救功能。

所述智能探查节点设置有探查主控处理模块，所述探查主控处理模块通过智能总线与智能能源节点、智能导航控制节点和智能推进节点电气信号连接。

所述智能能源节点设置有能源主控处理模块，所述能源主控处理模块通过智能总线智能探查节点、智能导航控制节点和智能推进节点电气信号连接。

所述的智能导航控制节点通过智能总线与智能探查节点、智能能源节点和智能推进节点电气信号连接。

所述智能推进节点通过智能总线与智能探查节点、智能能源节点和智能导航控制节点电气信号连接。

所述智能能源节点还包括节点电源模块和节点控制模块，所述节点电源模块和节点控制模块分别与智能总线的电源总线和通信总线进行连接；所述节点电源模块用于向控制模块和连接设备进行供电，所述节点控制模块用于控制设备电源、节点设备信息采集、节点状态反馈、节点故障状态输出。

所述模块化自主水下探查机器人控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：用户通过指控计算机进行设备检查和使命规划；

步骤2：智能导航控制节点的处理器模块接收到设备检查命令、使命下载命令后，若有新的使命将该使命信息保存到配置文件中；

步骤3：智能导航控制节点根据接收到的使命配置信息，根据运行时间、航向、深度、高度、速度等信息，经过内部运动控制算法输出生成智能推进节点所需的输入信息，并通过分布式的智能总线发送至智能推进节点，并在使命执行过程中通过分布式的智能总线采集智能传感节点的探查信息，获取智能能源节点的能源状态，以及各节点的状态和故障信息；

步骤4：智能导航控制节点在使命执行故障中记录智能探查节点、智能能源节点、智能导航控制节点和智能推进节点的状态信息和故障信息用于使命回放、故障重现，以及系统更新升级。

本发明的工作原理为：本发明模块化自主水下探查机器人控制方法中，首先用户通过指控计算机进行设备检查和使命规划，智能导航控制节点的处理器模块接收到设备检查命令、使命下载命令后，若有新的使命将该使命信息保存到配置文件中；智能导航控制节点根据接收到的使命配置信息，根据运行时间、航向、深度、高度、速度等信息，经过内部运动控制算法输出生成智能推进节点所需的输入信息并通过分布式总线发送至推进节点，并在使命执行过程中通过分布式总线采集智能传感节点的探查信息，获取智能能源节点的能源状态，以及各节点的状态和故障信息；智能导航控制节点在使命执行故障中记录各智能节点的状态信息和故障信息用于使命回放、故障重现，以及系统更新升级。

通过上述技术方案，本发明技术方案的有益效果是：综合配置光学和声学探查中声兼容、高低速数据传输、分布式故障监测的基础上，设计模块化自主水下探查机器人的控制系统，并通过控制方法提高了探查型水下机器人的可靠性、扩展性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所公开的一种模块化自主水下探查机器人控制系统框图示意图；

图2为本发明实施例所公开的一种模块化自主水下探查机器人控制系统智能总线框图示意图；

图3为本发明实施例所公开的一种模块化自主水下探查机器人控制系统智能探查节点原理框图示意图；

图4为本发明实施例所公开的一种模块化自主水下探查机器人控制系统智能能源节点原理框图示意图；

图5为本发明实施例所公开的一种模块化自主水下探查机器人控制系统智能导航控制节点原理框图示意图；

图6为本发明实施例所公开的一种模块化自主水下探查机器人控制系统智能推进节点原理框图示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据图1至图6，本发明提供了一种模块化自主水下探查机器人控制系统及方法，包括智能总线、智能探查节点、智能导航控制节点、智能能源节点、智能推进节点。

所述智能总线与智能探查节点、智能能源节点、智能导航控制节点和智能推进节点相互电气信号连接；所述智能总线包括能源总线、通信总线、应急总线；依据使用光学或声学探查模块还分别包括光通信总线或者千兆网通信总线、同步总线；所述智能探查节点至少包含一种满足用户使用要求的光学或声学探查模块；所述智能能源节点至少包括一种满足容量和功率需求、具备故障在线诊断的能源模块；所述智能导航控制节点至少具备高精度水下自主导航、精确轨迹控制、数据记录、故障在线诊断功能的控制模块；所述智能推进节点设置有智能驱动模块，所述智能驱动模块至少包含一种满足耐压和运动控制要求、具备故障检测功能的水下驱动执行模块；

所述智能总线具备分布式控制系统中的电磁兼容、声兼容、高/低速数据通信、故障检测和自救功能。

所述智能探查节点设置有探查主控处理模块，所述探查主控处理模块通过智能总线与智能能源节点、智能导航控制节点和智能推进节点电气信号连接。

所述智能能源节点设置有能源主控处理模块，所述能源主控处理模块通过智能总线智能探查节点、智能导航控制节点和智能推进节点电气信号连接。

所述的智能导航控制节点通过智能总线与智能探查节点、智能能源节点和智能推进节点电气信号连接。

所述智能推进节点通过智能总线与智能探查节点、智能能源节点和智能导航控制节点电气信号连接。

所述智能能源节点还包括节点电源模块和节点控制模块，所述节点电源模块和节点控制模块分别与智能总线的电源总线和通信总线进行连接；所述节点电源模块用于向控制模块和连接设备进行供电，所述节点控制模块用于控制设备电源、节点设备信息采集、节点状态反馈、节点故障状态输出。

所述模块化自主水下探查机器人控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：用户通过指控计算机进行设备检查和使命规划；

步骤2：智能导航控制节点的处理器模块接收到设备检查命令、使命下载命令后，若有新的使命将该使命信息保存到配置文件中；

步骤3：智能导航控制节点根据接收到的使命配置信息，根据运行时间、航向、深度、高度、速度等信息，经过内部运动控制算法输出生成智能推进节点所需的输入信息，并通过分布式的智能总线发送至智能推进节点，并在使命执行过程中通过分布式的智能总线采集智能传感节点的探查信息，获取智能能源节点的能源状态，以及各节点的状态和故障信息；

步骤4：智能导航控制节点在使命执行故障中记录智能探查节点、智能能源节点、智能导航控制节点和智能推进节点的状态信息和故障信息用于使命回放、故障重现，以及系统更新升级。

本发明的具体实施操作步骤是：本发明模块化自主水下探查机器人控制方法中，首先用户通过指控计算机进行设备检查和使命规划，智能导航控制节点的处理器模块接收到设备检查命令、使命下载命令后，若有新的使命将该使命信息保存到配置文件中；智能导航控制节点根据接收到的使命配置信息，根据运行时间、航向、深度、高度、速度等信息，经过内部运动控制算法输出生成智能推进节点所需的输入信息并通过分布式总线发送至推进节点，并在使命执行过程中通过分布式总线采集智能传感节点的探查信息，获取智能能源节点的能源状态，以及各节点的状态和故障信息；智能导航控制节点在使命执行故障中记录各智能节点的状态信息和故障信息用于使命回放、故障重现，以及系统更新升级。

通过上述具体实施例，本发明的有益效果是：综合配置光学和声学探查中声兼容、高低速数据传输、分布式故障监测的基础上，设计模块化自主水下探查机器人的控制系统，并通过控制方法提高了探查型水下机器人的可靠性、扩展性。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种模块化自主水下探查机器人控制系统，其特征在于，包括智能总线、智能探查节点、智能导航控制节点、智能能源节点、智能推进节点；所述智能总线与智能探查节点、智能能源节点、智能导航控制节点和智能推进节点相互电气信号连接；所述智能总线包括能源总线、通信总线、应急总线；依据使用光学或声学探查模块还分别包括光通信总线或者千兆网通信总线、同步总线；所述智能探查节点至少包含一种满足用户使用要求的光学或声学探查模块；所述智能能源节点至少包括一种满足容量和功率需求、具备故障在线诊断的能源模块；所述智能导航控制节点至少具备高精度水下自主导航、精确轨迹控制、数据记录、故障在线诊断功能的控制模块；所述智能推进节点设置有智能驱动模块，所述智能驱动模块至少包含一种满足耐压和运动控制要求、具备故障检测功能的水下驱动执行模块；

所述智能总线具备分布式控制系统中的电磁兼容、声兼容、高/低速数据通信、故障检测和自救功能。

2.根据权利要求1所述的一种模块化自主水下探查机器人控制系统，其特征在于，所述智能探查节点设置有探查主控处理模块，所述探查主控处理模块通过智能总线与智能能源节点、智能导航控制节点和智能推进节点电气信号连接。

3.根据权利要求1所述的一种模块化自主水下探查机器人控制系统，其特征在于，所述智能能源节点设置有能源主控处理模块，所述能源主控处理模块通过智能总线智能探查节点、智能导航控制节点和智能推进节点电气信号连接。

4.根据权利要求1所述的一种模块化自主水下探查机器人控制系统，其特征在于，所述的智能导航控制节点通过智能总线与智能探查节点、智能能源节点和智能推进节点电气信号连接。

5.根据权利要求1所述的一种模块化自主水下探查机器人控制系统，其特征在于，所述智能推进节点通过智能总线与智能探查节点、智能能源节点和智能导航控制节点电气信号连接。

6.根据权利要求1所述的一种模块化自主水下探查机器人控制系统，其特征在于，所述智能能源节点还包括节点电源模块和节点控制模块，所述节点电源模块和节点控制模块分别与智能总线的电源总线和通信总线进行连接；所述节点电源模块用于向控制模块和连接设备进行供电，所述节点控制模块用于控制设备电源、节点设备信息采集、节点状态反馈、节点故障状态输出。

7.根据权利要求1所述的一种模块化自主水下探查机器人控制系统，其特征在于，所述模块化自主水下探查机器人控制系统的控制方法包括以下步骤：

步骤1：用户通过指控计算机进行设备检查和使命规划；

步骤2：智能导航控制节点的处理器模块接收到设备检查命令、使命下载命令后，若有新的使命将该使命信息保存到配置文件中；

步骤3：智能导航控制节点根据接收到的使命配置信息，根据运行时间、航向、深度、高度、速度等信息，经过内部运动控制算法输出生成智能推进节点所需的输入信息，并通过分布式的智能总线发送至智能推进节点，并在使命执行过程中通过分布式的智能总线采集智能传感节点的探查信息，获取智能能源节点的能源状态，以及各节点的状态和故障信息；

步骤4：智能导航控制节点在使命执行故障中记录智能探查节点、智能能源节点、智能导航控制节点和智能推进节点的状态信息和故障信息用于使命回放、故障重现，以及系统更新升级。