CN108319128B - 一种具有应急功能的波浪滑翔器容错控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有应急功能的波浪滑翔器容错控制系统及方法，属于波浪滑翔器控制领域，包括主控系统，应急控制系统，通信系统，传感器系统和舵机；主控系统包括主控计算机；应急控制系统包括监控计算机和第一继电器；通信系统包括铱星模块、铱星天线、GPS天线、AIS通信模块；主控系统与传感器系统间采用串口通信，主控系统与监控计算机间采用串口通信，监控计算机与主控系统通过第一继电器连接，应急控制系统与舵机间采用串口通信，应急控制系统与铱星模块采用串口通信，应急控制系统与AIS通信模块通过第二继电器连接；铱星模块具有GPS接口，铱星接口；铱星天线通过铱星接口与铱星模块连接；GPS天线通过GPS接口与铱星模块连接。本发明运行稳定性高，容错性强，具有自我修复能力，显著降低了波浪滑翔器失踪失联的风险。

Description

一种具有应急功能的波浪滑翔器容错控制系统及方法

技术领域

本发明属于波浪滑翔器控制领域，尤其涉及一种具有应急功能的波浪滑翔器容错控制系统及方法。

背景技术

波浪滑翔器是一种新型的海上观测平台，它通过吸收海洋中的波浪能，将其转化为自身航行的动力，通过太阳能板，将太阳能转化为电能为自身设备供电。它具有续航能力强，运营成本低廉，恶劣海况下适应性强、运行噪声小、无污染等众多优点，为各类海洋信息的观测与研究提供了新途径，现已广泛应用于长时间海洋环境观测、生物迁徙研究、气象信息预报等诸多领域。由于波浪滑翔器多用于长航程、长时间的海上观测任务，控制系统工作时间长，数据计算量大，且控制系统经常遭遇恶劣天气与海况以及其他未知因素的影响，容易发生故障。

传统的波浪滑翔器控制系统发生故障时，一般利用硬件设备的“看门狗”服务来重启控制系统。但当重启无法修复控制系统时，系统便会陷入无限重启的死循环。波浪滑翔器随即失去运动控制、定位与通信能力。波浪滑翔器很可能因失去控制能力而与渔船、岛礁等相撞，造成财物损失。因为失去定位与通信能力，波浪滑翔器失联、失踪的可能性极高。

铱星是一个很好的解决方案。与使用的静止轨道卫星通信系统相比，铱星主要具有两方面的优势：一是轨道低，传输速度快，信息损耗小，通信质量大大提高；二是不需要专门的地面接收站，每部卫星移动手持电话都可以与卫星连接，这就使地球上人迹罕至的不毛之地、通信落后的边远地区、自然灾害现场的通信都变得畅通无阻。所以说，铱星移动通信系统计划开始了个人卫星通信的新时代。铱星移动通讯系统于1996年开始试验发射，计划1998年投入业务，预计总投资为23亿美元。铱星移动通讯系统为用户提供的主要业务是：移动电话寻呼和数据传输。从技术角度看，铱星移动通信系统已突破了星间链路等关键技术问题，系统基本结构与规程已初步建成，系统研究发展的各个方面都取得了重要进展，在此期间有全世界几十家公司都参与了铱星计划的实施，应该说铱星计划初期的确立、运筹和实施是非常成功的。其最大特点就是通信终端手持化，个人通信全球化，实现了任何人在任何地点、任何时间与任何人采取任何方式进行通信。

搭载于波浪滑翔器上的铱星模块用于实现岸基监控端与波浪滑翔器控制系统之间的数据通信。铱星模块还具有可以独立完成GPS定位，位置信息整合与自动反馈的功能，该功能使铱星模块可以独立于控制系统自主工作。然而传统的波浪滑翔器控制系统并未利用铱星模块的这一特点。

黄荣辉等人提出的公开号为CN105824318A的专利，一种多旋翼无人机通讯和安全监测系统，通过铱星通讯网络的全方位的数据通信能力，地面控制设备可以更好地对多旋翼无人机进行安全监测及应急控制。在多旋翼无人机出现飞行故障、机体损伤、地面数据链路丢失等突发情况，通过GPS卫星定位可以及时寻回多旋翼无人机，以免造成更大损失。此外借助于铱星通讯网络，在铱星有效通讯范围内多旋翼无人机通信上的空间限制将不再存在，通信范围不再受地理环境等外部因素影响，其中采用了铱星模块的“命令模式”用于传递信息，简单地使用了铱星模块，并没有发挥铱星模块的最大作用。

发明内容

本发明的目的在于公开容错性强，稳定性高，能够降低波浪滑翔器失踪失联风险的一种具有应急功能的波浪滑翔器容错控制系统及方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种具有应急功能的波浪滑翔器容错控制系统及方法：包括主控系统，应急控制系统，通信系统，传感器系统和舵机；主控系统包括主控计算机；应急控制系统包括监控计算机和第一继电器；通信系统包括铱星模块、铱星天线、GPS天线、AIS通信模块；主控系统与传感器系统间采用串口通信，主控系统与监控计算机间采用串口通信，监控计算机与主控系统通过第一继电器连接，应急控制系统与舵机间采用串口通信，应急控制系统与铱星模块采用串口通信，应急控制系统与AIS通信模块通过第二继电器连接；铱星模块具有GPS接口，铱星接口；铱星天线通过铱星接口与铱星模块连接；GPS天线通过GPS接口与铱星模块连接。

一种具有应急功能的波浪滑翔器容错控制系统及方法，包含如下步骤：

步骤(1)：主控计算机按串口通信协议将波浪滑翔器运行数据打包并发送至监控计算机，监控计算机在规定时间内检测接收运行数据的情况，并将接收运行数据的情况分为5类：第一类：读取不到运行数据；第二类：读取到运行数据，但运行数据不符合串口通信协议要求；第三类：读取到运行数据，运行数据符合串口通信协议要求，但运行数据持续不变；第四类：读取到运行数据，运行数据符合串口通信协议要求，但其中一项或多项运行数据超出正常阈值；第五类：读取到运行数据，并且运行数据正常；当接收运行数据的情况符合第五类时，监控计算机判定主控系统工作正常；否则，监控计算机判定主控系统出现故障；若主控系统工作正常，则监控计算机切换为正常模式；若主控系统出现故障，监控计算机切换为容错模式；监控计算机在正常模式及容错模式下，将铱星模块设置为“命令模式”，通过SBD服务向母船反馈波浪滑翔器的运动状态信息和位置信息以及接收母船指令；AIS通信模块不工作；监控计算机仅完成主控计算机与铱星模块、主控计算机与舵机之间信息的透明传递；

步骤(2)：在监控计算机内设置主控系统修复次数记录变量n；监控计算机判断监控计算机工作模式，当监控计算机处于正常模式，令n清零；当监控计算机处于容错模式，令n增加1；

步骤(3)：监控计算机判断主控系统修复次数记录变量n是否大于等于最大修复次数m；如果n＝0，则返回至步骤(1)；如果0<n<m，则监控计算机控制第一继电器使主控系统完成一次重启修复，然后返回步骤(1)；如果n≥m，则监控计算机切换为应急模式，进入步骤(4)；

步骤(4)：监控计算机不再解析主控计算机发送的控制指令，不再完成主控计算机与铱星模块、主控计算机与舵机之间信息的透明传递；通信系统及舵机由监控计算机暂时控制；监控计算机控制舵机打至最大规定舵角后关闭舵机；此时舵板保持在最大规定舵角，不再受主控系统与应急控制系统影响，波浪滑翔器做回转运动；

步骤(5)：监控计算机将铱星模块设置为“追踪模式”，此后铱星模块脱离主控计算机与监控计算机控制，独立工作，利用GPS天线实现定位，由铱星模块整合位置信息并将波浪滑翔器位置信息通过铱星天线反馈至母船；

步骤(6)：监控计算机通过第二继电器使AIS通信模块开始工作；AIS通信模块随即广播波浪滑翔器位置信息；此后AIS通信模块脱离主控计算机与监控计算机控制独立工作；

步骤(7)：母船根据铱星模块及AIS通信模块发送的位置信息，搜寻波浪滑翔器并进行回收工作。

本发明的有益效果为：

本发明在原有系统基础上增加了一套结构简单、数据处理量小、运行稳定性较高的应急控制系统，改变控制系统与通信系统间数据传递的方式，利用容错控制方法，使波浪滑翔器主控系统在出现故障时能够进行一定程度的修复。当主控系统不可修复时，波浪滑翔器仍然可以保持自身位置、并实现通信系统独立于控制系统自主运行，实时反馈波浪滑翔器的位置信息，为后续母船对波浪滑翔器的搜救打捞工作提供了重要信息，降低了波浪滑翔器失联、失踪的风险。

附图说明

图1是本发明的波浪滑翔器控制系统结构示意图；

图2是本发明的波浪滑翔器容错控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步描述本发明：

如图1，一种具有应急功能的波浪滑翔器容错控制系统及方法：包括主控系统，应急控制系统，通信系统，传感器系统和舵机；主控系统包括主控计算机；应急控制系统包括监控计算机和第一继电器；通信系统包括铱星模块、铱星天线、GPS天线、AIS通信模块；主控系统与传感器系统间采用串口通信，主控系统与监控计算机间采用串口通信，监控计算机与主控系统通过第一继电器连接，应急控制系统与舵机间采用串口通信，应急控制系统与铱星模块采用串口通信，应急控制系统与AIS通信模块通过第二继电器连接；铱星模块具有GPS接口，铱星接口；铱星天线通过铱星接口与铱星模块连接；GPS天线通过GPS接口与铱星模块连接。

如图2，一种具有应急功能的波浪滑翔器容错控制系统及方法，包含如下步骤：

步骤(1)：主控计算机按串口通信协议将波浪滑翔器运行数据打包并发送至监控计算机，监控计算机在规定时间内检测接收运行数据的情况，并将接收运行数据的情况分为5类：第一类：读取不到运行数据；第二类：读取到运行数据，但运行数据不符合串口通信协议要求；第三类：读取到运行数据，运行数据符合串口通信协议要求，但运行数据持续不变；第四类：读取到运行数据，运行数据符合串口通信协议要求，但其中一项或多项运行数据超出正常阈值；第五类：读取到运行数据，并且运行数据正常；当接收运行数据的情况符合第五类时，监控计算机判定主控系统工作正常；否则，监控计算机判定主控系统出现故障；若主控系统工作正常，则监控计算机切换为正常模式；若主控系统出现故障，监控计算机切换为容错模式；监控计算机在正常模式及容错模式下，将铱星模块设置为“命令模式”，通过SBD服务向母船反馈波浪滑翔器的运动状态信息和位置信息以及接收母船指令；AIS通信模块不工作；监控计算机仅完成主控计算机与铱星模块、主控计算机与舵机之间信息的透明传递；

步骤(2)：在监控计算机内设置主控系统修复次数记录变量n；监控计算机判断监控计算机工作模式，当监控计算机处于正常模式，令n清零；当监控计算机处于容错模式，令n增加1；

步骤(3)：监控计算机判断主控系统修复次数记录变量n是否大于等于最大修复次数m；如果n＝0，则返回至步骤(1)；如果0<n<m，则监控计算机控制第一继电器使主控系统完成一次重启修复，然后返回步骤(1)；如果n≥m，则监控计算机切换为应急模式，进入步骤(4)；

步骤(4)：监控计算机不再解析主控计算机发送的控制指令，不再完成主控计算机与铱星模块、主控计算机与舵机之间信息的透明传递；通信系统及舵机由监控计算机暂时控制；监控计算机控制舵机打至最大规定舵角后关闭舵机；此时舵板保持在最大规定舵角，不再受主控系统与应急控制系统影响，波浪滑翔器做回转运动；

步骤(5)：监控计算机将铱星模块设置为“追踪模式”，此后铱星模块脱离主控计算机与监控计算机控制，独立工作，利用GPS天线实现定位，由铱星模块整合位置信息并将波浪滑翔器位置信息通过铱星天线反馈至母船；

步骤(6)：监控计算机通过第二继电器使AIS通信模块开始工作；AIS通信模块随即广播波浪滑翔器位置信息；此后AIS通信模块脱离主控计算机与监控计算机控制独立工作；

步骤(7)：母船根据铱星模块及AIS通信模块发送的位置信息，搜寻波浪滑翔器并进行回收工作。

值得注意的是，对波浪滑翔器运行时任何传感器数据的处理、运动控制参数的计算、岸基指令的解析、运行数据反馈打包都是在主控计算机中进行的，监控计算机只进行信息的透明传递与判断，以及当主控系统故障或故障无法修复时对铱星模块、舵机等设备下达几个切换工作模式指令，因此应急控制系统功能复杂程度相对主控系统显得极低，系统运行稳定程度远高于主控系统。应急控制系统的简洁性与运行稳定性是所述容错控制方法实现的重要前提。

本发明在原有系统基础上增加了一套结构简单、数据处理量小、运行稳定性较高的应急控制系统，改变控制系统与通信系统间数据传递的方式，利用容错控制方法，使波浪滑翔器主控系统在出现故障时能够进行一定程度的修复。当主控系统不可修复时，波浪滑翔器仍然可以保持自身位置、并实现通信系统独立于控制系统自主运行，实时反馈波浪滑翔器的位置信息，为后续母船对波浪滑翔器的搜救打捞工作提供了重要信息，降低了波浪滑翔器失联、失踪的风险。

以上所述并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种具有应急功能的波浪滑翔器容错控制方法，控制系统包括主控系统，应急控制系统，通信系统，传感器系统和舵机；主控系统包括主控计算机；应急控制系统包括监控计算机和第一继电器；通信系统包括铱星模块、铱星天线、GPS天线、AIS通信模块；主控系统与传感器系统间采用串口通信，主控系统与监控计算机间采用串口通信，监控计算机与主控系统通过第一继电器连接，应急控制系统与舵机间采用串口通信，应急控制系统与铱星模块采用串口通信，应急控制系统与AIS通信模块通过第二继电器连接；铱星模块具有GPS接口，铱星接口；铱星天线通过铱星接口与铱星模块连接；GPS天线通过GPS接口与铱星模块连接；其特征在于，包含如下步骤：

步骤(1)：主控计算机按串口通信协议将波浪滑翔器运行数据打包并发送至监控计算机，监控计算机在规定时间内检测接收运行数据的情况，并将接收运行数据的情况分为5类：第一类：读取不到运行数据；第二类：读取到运行数据，但运行数据不符合串口通信协议要求；第三类：读取到运行数据，运行数据符合串口通信协议要求，但运行数据持续不变；第四类：读取到运行数据，运行数据符合串口通信协议要求，但其中一项或多项运行数据超出正常阈值；第五类：读取到运行数据，并且运行数据正常；当接收运行数据的情况符合第五类时，监控计算机判定主控系统工作正常；否则，监控计算机判定主控系统出现故障；若主控系统工作正常，则监控计算机切换为正常模式；若主控系统出现故障，监控计算机切换为容错模式；监控计算机在正常模式及容错模式下，将铱星模块设置为“命令模式”，通过SBD服务向母船反馈波浪滑翔器的运动状态信息和位置信息以及接收母船指令；AIS通信模块不工作；监控计算机仅完成主控计算机与铱星模块、主控计算机与舵机之间信息的透明传递；

步骤(2)：在监控计算机内设置主控系统修复次数记录变量n；监控计算机判断监控计算机工作模式，当监控计算机处于正常模式，令n清零；当监控计算机处于容错模式，令n增加1；

步骤(3)：监控计算机判断主控系统修复次数记录变量n是否大于等于最大修复次数m；如果n＝0，则返回至步骤(1)；如果0<n<m，则监控计算机控制第一继电器使主控系统完成一次重启修复，然后返回步骤(1)；如果n≥m，则监控计算机切换为应急模式，进入步骤(4)；

步骤(4)：监控计算机不再解析主控计算机发送的控制指令，不再完成主控计算机与铱星模块、主控计算机与舵机之间信息的透明传递；通信系统及舵机由监控计算机暂时控制；监控计算机控制舵机打至最大规定舵角后关闭舵机；此时舵板保持在最大规定舵角，不再受主控系统与应急控制系统影响，波浪滑翔器做回转运动；

步骤(5)：监控计算机将铱星模块设置为“追踪模式”，此后铱星模块脱离主控计算机与监控计算机控制，独立工作，利用GPS天线实现定位，由铱星模块整合位置信息并将波浪滑翔器位置信息通过铱星天线发送给铱星卫星，铱星卫星再反馈至母船；

步骤(6)：监控计算机通过第二继电器使AIS通信模块开始工作；AIS通信模块随即广播波浪滑翔器位置信息；此后AIS通信模块脱离主控计算机与监控计算机控制独立工作；

步骤(7)：母船根据铱星模块及AIS通信模块发送的位置信息，搜寻波浪滑翔器并进行回收工作。

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