CN108445801A - 一种便携式自主水下航行器多功能安全报警装置及报警逻辑控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种便携式自主水下航行器多功能安全报警装置及报警逻辑控制方法，装置包括MCU安全模块、抛载模块、深度传感器、漏液传感器、电量传感器、频闪灯和卫星通信模块；MCU安全模块读取深度传感器、漏液传感器、电量传感器的数据，并通过自带的定时器计算航行器运行时间。如发生超深、漏液、电量不足或航行时间超时的紧急情况，MCU安全模块向主控计算机发送紧急停车指令，切断主推动力电源；抛载模块紧急抛载，航行器立即原地上浮，避免航行器和测量数据丢失。浮出水面后，频闪指示灯将亮起，并向母船发送自身位置信息。该逻辑能够在航行器遇到突发紧急情况时迅速处理故障，保障航行器自身与采集数据的安全，在航行器安全保障方面起到了较好的作用。

Description

一种便携式自主水下航行器多功能安全报警装置及报警逻辑 控制方法

技术领域

本发明涉及便携自主水下航行器安全自救领域，具体为一种便携式自主水下航行器多功能安全报警装置及报警逻辑控制方法，能够实现对超时、超深、漏液、电池低电压四种突发事件进行监控以及报警。

背景技术

便携式自主水下航行器作为一种智能化水下运载平台，以自主模式航行，可完成水下测量、海域测绘、水底地貌测绘等任务，在军事侦查、港口安全维护、海洋环境监测等领域都有重要的应用。

由于搭载众多测量仪器，便携式自主水下航行器一般造价高昂。一旦控制系统出现故障或壳体发生漏液，航行器将失去控制，有可能造成自身失踪、测量数据丢失以及撞击母船等事故。当前，国内外大多数便携式水下自主航行器在安全保障方面仅有超深和超时安保措施，考虑不够全面，在发生壳体渗漏及电量不足的问题时，报警逻辑控制不当，不能采取有效的自救措施。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，在发生超时、超深、漏液、电池低电压等突发事件后能够及时有效地止损，本发明提出一种便携式自主水下航行器多功能安全报警装置及报警逻辑控制方法，当水下自主航行器在执行任务时发生了如航行深度超过预定深度、壳体发生漏液、电池电压过低以及航行时间超过预定时间等紧急情况，通过本发明能够及时向主控计算机发送紧急停车指令，切断主推动力电源；向抛载模块发送抛载信号，完成紧急抛载，使航行器立即原地上浮，避免航行器和测量数据丢失，具有很强的实际作用。

本发明提出的便携式自主水下航行器多功能安全报警装置，拥有多组合方式报警逻辑，其中的MCU安全模块通过自身携带的通信接口对深度传感器、漏液传感器、电量传感器以及航行器运行时间计数器进行数据采集，当采集的数据满足逻辑内的抛载条件时，安全报警装置切断主推进器动力电源，操纵位于航行器底部的抛载器进行紧急抛载。抛载后，水下自主航行器在水中受力为正浮力，从而上浮直至出水。

安全报警装置在航行器天线顶端安装有一红一绿两种频闪灯，实现夜间位置指示功能，同时兼顾航行器上电、接收状态指示、部件故障指示等功能。当航行器浮出水面后，可以通过观察灯的颜色判断航行器当前状态。绿灯按固定频率间歇性闪烁说明航行器功能正常，当前状态为任务完成后的正常上浮。红灯按固定频率间歇性闪烁说明航行器发生故障，当前状态为抛载后的非正常上浮。航行器浮出水面后会将通过铱星模块获得的自身坐标信息并发送给母船，这样即使上浮地点超出母船视距范围，母船仍然能够顺利回收航行器。

依据上述原理，本发明的技术方案为：

所述一种便携式自主水下航行器多功能安全报警装置，其特征在于：包括MCU安全模块、抛载模块、深度传感器、漏液传感器、电量传感器、频闪灯和卫星通信模块；

所述MCU安全模块包括运行时间计数器，MCU安全模块通过自身通信接口采集深度传感器、漏液传感器以及电量传感器的数据，并对采集的数据以及运行时间计数器的计时数据进行判断；当判断当前航行器深度超过任务设定的安全深度、或判定航行器发生漏液、或航行器当前剩余电量小于设定安全电量、或航行器运行时间大于设置的最大安全工作时间时，MCU安全模块向便携式自主水下航行器的主控计算机发出紧急停车指令以及发出原地上浮指令，并接收主控计算机的反馈信号；若在设定时间内没有收到主控计算机的反馈信号，则再次向主控计算机发送紧急停车指令以及发出原地上浮指令；当达到设定的发送次数均没有收到主控计算机的反馈信号，则MCU安全模块切断便携式自主水下航行器的主推进器动力电并控制抛载模块抛载；若在设定时间内收到主控计算机的反馈信号，则继续采集深度传感器数据并判断，若在设定时间内，便携式自主水下航行器的深度没有减小，则MCU安全模块切断便携式自主水下航行器的主推进器动力电并控制抛载模块抛载；

所述频闪灯包括安装在航行器天线顶端的一红一绿两种频闪灯，当便携式自主水下航行器浮出水面后，一红一绿两种频闪灯各自对应表示航行器的工作状态是否正常；

所述卫星通信模块在便携式自主水下航行器浮出水面后，获取自身坐标信息并发送给母船。

利用上述装置实现便携式自主水下航行器多功能安全报警逻辑控制的方法，其特征在于：

采用MCU安全模块实时监测航行器内部深度传感器、漏液传感器、电量传感器以及MCU安全模块内的航行器运行时间计数器的反馈数据，并根据反馈数据进行逻辑判定，如果符合抛载逻辑，则控制抛载模块抛载，并在浮出水面后控制表示故障的频闪灯上电，以及卫星通信模块上电；

所述抛载逻辑分为超时、超深、漏液、电池低电压四种抛载逻辑：

MCU安全模块监测深度传感器返回的航行器航行深度数据，对数据进行滤波处理，当判断当前航行器深度超过任务设定的安全深度，则向主控计算机发出紧急停车指令和原地上浮指令，然后等待主控计算机按照通信协议返回确认指令接收信号；如果计算机无反馈信号则重新发送紧急停车指令和原地上浮指令；在连续N次无反馈信号后，MCU安全模块不再向主控计算机发出紧急停车指令和原地上浮指令，直接切断便携式自主水下航行器的主推进器动力电并向抛载模块发出抛载指令，完成抛载；如果接收到主控计算机的反馈信息，则继续采集深度传感器数据并判断，若在设定时间内，便携式自主水下航行器的深度没有减小，则MCU安全模块切断便携式自主水下航行器的主推进器动力电并向抛载模块发出抛载指令，完成抛载；

MCU安全模块接收漏液传感器返回的电平信号，当漏液传感器返回表示漏液的电平信号并持续超过设定时间，则判定航行器发生漏液并向主控计算机发出紧急停车指令和原地上浮指令，然后等待主控计算机按照通信协议返回确认指令接收信号；如果计算机无反馈信号则重新发送紧急停车指令和原地上浮指令；在连续N次无反馈信号后，MCU安全模块不再向主控计算机发出紧急停车指令和原地上浮指令，直接切断便携式自主水下航行器的主推进器动力电并向抛载模块发出抛载指令，完成抛载；如果接收到主控计算机的反馈信息，则继续采集深度传感器数据并判断，若在设定时间内，便携式自主水下航行器的深度没有减小，则MCU安全模块切断便携式自主水下航行器的主推进器动力电并向抛载模块发出抛载指令，完成抛载；

MCU安全模块接收电量传感器返回的电池剩余电量数据，当电量传感器返回的电池剩余电量低于设定安全电量时，向主控计算机发送紧急停车指令和原地上浮指令，然后等待主控计算机按照通信协议返回确认指令接收信号；如果计算机无反馈信号则重新发送紧急停车指令和原地上浮指令；在连续N次无反馈信号后，MCU安全模块不再向主控计算机发出紧急停车指令和原地上浮指令，直接切断便携式自主水下航行器的主推进器动力电并向抛载模块发出抛载指令，完成抛载；如果接收到主控计算机的反馈信息，则继续采集深度传感器数据并判断，若在设定时间内，便携式自主水下航行器的深度没有减小，则MCU安全模块切断便携式自主水下航行器的主推进器动力电并向抛载模块发出抛载指令，完成抛载；

MCU安全模块监测航行器运行时间计数器记录的航行器运行时间，如果当前航行器运行时间大于设置的最大安全工作时间，则向主控计算机发送紧急停车指令和原地上浮指令，然后等待主控计算机按照通信协议返回指令接收信号；如果计算机无反馈信号则重新发送紧急停车指令和原地上浮指令；在连续N次无反馈信号后，MCU安全模块不再向主控计算机发出紧急停车指令和原地上浮指令，直接切断便携式自主水下航行器的主推进器动力电并向抛载模块发出抛载指令，完成抛载；如果接收到主控计算机的反馈信息，则继续采集深度传感器数据并判断，若在设定时间内，便携式自主水下航行器的深度没有减小，则MCU安全模块切断便携式自主水下航行器的主推进器动力电并向抛载模块发出抛载指令，完成抛载。

有益效果

采用本发明能够当水下自主航行器执行任务时发生了如航行深度超过预定深度、壳体发生漏液、电池电压过低以及航行时间超过预定时间等紧急情况，及时向主控计算机发送紧急停车指令，切断主推动力电源；向抛载模块发送抛载信号，完成紧急抛载，使航行器立即原地上浮，避免航行器和测量数据丢失。

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安全保险系统原理框图；

图2超深安保逻辑图；

图3漏液安保逻辑图；

图4电池低电压安保逻辑图；

图5超时安保逻辑图。

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。

如图1所示，本实施例中的便携式自主水下航行器多功能安全报警装置，包括MCU安全模块、抛载模块、深度传感器、漏液传感器、电量传感器、频闪灯和卫星通信模块；

所述MCU安全模块包括运行时间计数器，MCU安全模块通过自身携带的I/O口和RS485串口，采集深度传感器、漏液传感器以及电量传感器的数据，并对采集的数据以及运行时间计数器的计时数据进行判断；当判断当前航行器深度超过任务设定的安全深度、或判定航行器发生漏液、或航行器当前剩余电量小于设定安全电量、或航行器运行时间大于设置的最大安全工作时间时，MCU安全模块向便携式自主水下航行器的主控计算机发出紧急停车指令以及发出原地上浮指令，并接收主控计算机的反馈信号；若在设定时间内没有收到主控计算机的反馈信号，则再次向主控计算机发送紧急停车指令以及发出原地上浮指令；当达到设定的发送次数均没有收到主控计算机的反馈信号，则MCU安全模块切断便携式自主水下航行器的主推进器动力电并控制抛载模块抛载；若在设定时间内收到主控计算机的反馈信号，则继续采集深度传感器数据并判断，若在设定时间内，便携式自主水下航行器的深度没有减小，则MCU安全模块切断便携式自主水下航行器的主推进器动力电并控制抛载模块抛载；抛载后，水下自主航行器在水中受力为正浮力，从而上浮直至出水。

所述频闪灯包括安装在航行器天线顶端的一红一绿两种频闪灯，实现夜间位置指示功能，同时兼顾航行器上电、接收状态指示、部件故障指示等功能。当便携式自主水下航行器浮出水面后，可以通过观察灯的颜色判断航行器当前状态。绿灯按固定频率间歇性闪烁说明航行器功能正常，当前状态为任务完成后的正常上浮。红灯按固定频率间歇性闪烁说明航行器发生故障，当前状态为抛载后的非正常上浮。航行器浮出水面后会将通过卫星通信模块获得的自身坐标信息并发送给母船，这样即使上浮地点超出母船视距范围，母船仍然能够顺利回收航行器。

采用MCU安全模块实时监测航行器内部深度传感器、漏液传感器、电量传感器以及MCU安全模块内的航行器运行时间计数器的反馈数据，并根据反馈数据进行逻辑判定，如果符合抛载逻辑，则控制抛载模块抛载，并在浮出水面后控制表示故障的频闪灯上电，以及卫星通信模块上电；所述抛载逻辑分为超时、超深、漏液、电池低电压四种抛载逻辑。

下面说明每种抛载逻辑：

一、超深处理

超深可能发生在如下情况：

1、航行器进水下沉；

2、航行器控制不当；

在航行器下水执行任务前，会人为设置一个安全深度值并保存在MCU安全模块中；当航行器在水下执行任务时，深度传感器实时采集航行器当前航行深度，然后将当前深度通过I/O口反馈至MCU安全模块，安全模块将反馈的深度值与提前预设的安全深度值进行比较，如果反馈的航行器当前深度值小于预设的安全深度值，则航行器继续执行主控计算机的任务指令；如果反馈的航行器当前深度值大于预设的安全深度值，则认为航行器发生超深故障，MCU安全模块立即通过CAN总线向主控计算机发出紧急停车指令，然后发出原地上浮指令。主控计算机在接收停车指令后，将切断主推进器动力电，然后控制航行器原地上浮并向MCU安全模块返回指令接收信号。如果MCU安全模块在30秒内没有收到主控计算机的反馈信号，则再次发送紧急停车指令和原地上浮指令；当重复三次发送均未收到主控计算机的反馈信号，则认为主控计算机失去控制能力，MCU安全模块将直接切断主推进器动力电并控制抛载模块抛载；如果三次之内接收到主控计算机的反馈信息，则每30秒采集一次深度传感器数据，如果当前深度与前一时刻深度相比变小，则认为主控计算机正在操纵航行器上浮，MCU安全模块不对控制进行干涉；如果当前深度与前一时刻深度相比变大或无变化，则认为主控计算机失去对航行器的控制能力，MCU安全模块将直接切断主推进器动力电并控制抛载模块抛载。

二、漏液处理

漏液可能发生在如下情况：

1、航行器壳体开裂；

2、航行器壳体连接处渗水；

漏液传感器在干燥时处于断开状态，向MCU安全模块反馈低电平。当航行器发生漏液故障时，渗透进航行器内部的水接触到漏液传感器，使漏液传感器转变为导通状态，向MCU安全模块反馈高电平。MCU安全模块在接收到漏液传感器反馈的高电平后开始计时，如果高电平持续时间低于20秒，认为航行器仍处于安全航行状态，MCU安全模块不对航行器控制进行干涉。如果高电平持续时间超过20秒，则认为航行器发生漏液故障，MCU安全模块立即通过CAN总线向主控计算机发出紧急停车指令，然后发出原地上浮指令。主控计算机在接收停车指令后，将切断主推进器动力电，然后控制航行器原地上浮并向MCU安全模块返回指令接收信号。如果MCU安全模块在30秒内没有收到主控计算机的反馈信号，则再次发送紧急停车指令和原地上浮指令；当重复三次发送均未收到主控计算机的反馈信号，则认为主控计算机失去控制能力，MCU安全模块将直接切断主推进器动力电并控制抛载模块抛载；如果三次之内接收到主控计算机的反馈信息，则每30秒采集一次深度传感器数据，如果当前深度与前一时刻深度相比变小，则认为主控计算机正在操纵航行器上浮，MCU安全模块不对控制进行干涉；如果当前深度与前一时刻深度相比变大或无变化，则认为主控计算机失去对航行器的控制能力，MCU安全模块将直接切断主推进器动力电并控制抛载模块抛载。

三、电量不足处理

电量不足可能发生在如下情况：

1、任务安排不合理，超出航行器最大工作时间；

2、电池老化；

3、执行任务过程中遇到干扰，导致电量消耗过大；

电量传感器将航行器当前剩余电量反馈给MCU安全模块，MCU安全模块对反馈剩余电量值进行判断；如果剩余电量大于15％，则MCU安全模块不对航行器控制进行干涉；如果剩余电量小于15％，则认为航行器处于低电量状态，MCU安全模块立即通过CAN总线向主控计算机发出紧急停车指令，然后发出原地上浮指令。主控计算机在接收停车指令后，将切断主推进器动力电，然后控制航行器原地上浮并向MCU安全模块返回指令接收信号。如果MCU安全模块在30秒内没有收到主控计算机的反馈信号，则再次发送紧急停车指令和原地上浮指令；当重复三次发送均未收到主控计算机的反馈信号，则认为主控计算机失去控制能力，MCU安全模块将直接切断主推进器动力电并控制抛载模块抛载；如果三次之内接收到主控计算机的反馈信息，则每30秒采集一次深度传感器数据，如果当前深度与前一时刻深度相比变小，则认为主控计算机正在操纵航行器上浮，MCU安全模块不对控制进行干涉；如果当前深度与前一时刻深度相比变大或无变化，则认为主控计算机失去对航行器的控制能力，MCU安全模块将直接切断主推进器动力电并控制抛载模块抛载。

四、超时处理

超时可能发生在如下情况：

1、流速太大，或者控制不当，超过时间仍然达不到上浮条件或预定位置；

2、航程时间计算错误，超过预定时间仍然达不到上浮条件或预定位置；

3、软件故障：程序跑飞、死循环；

4、动力电缺电，到时间也无法完成预定任务，达不到上浮条件或位置；

5、电机、舵板等故障，造成控制失常，超过预定时间仍然达不到上浮条件或预定位置；

下水执行任务前，首先在MCU安全模块内人为设置最大安全工作时间。当航行器下水开始执行任务，位于MCU安全模块内的运行时间计数器开始计时。MCU安全模块每隔10秒读取一次当前航行器运行时间，如果当前航行器运行时间小于设置的最大安全工作时间，则认为航行器处于安全工作状态，MCU安全模块不对航行器控制进行干涉；如果当前航行器运行时间大于设置的最大安全工作时间，则认为航行器发生超时故障，MCU安全模块立即通过CAN总线向主控计算机发出紧急停车指令，然后发出原地上浮指令。主控计算机在接收停车指令后，将切断主推进器动力电，然后控制航行器原地上浮并向MCU安全模块返回指令接收信号。如果MCU安全模块在30秒内没有收到主控计算机的反馈信号，则再次发送紧急停车指令和原地上浮指令；当重复三次发送均未收到主控计算机的反馈信号，则认为主控计算机失去控制能力，MCU安全模块将直接切断主推进器动力电并控制抛载模块抛载；如果三次之内接收到主控计算机的反馈信息，则每30秒采集一次深度传感器数据，如果当前深度与前一时刻深度相比变小，则认为主控计算机正在操纵航行器上浮，MCU安全模块不对控制进行干涉；如果当前深度与前一时刻深度相比变大或无变化，则认为主控计算机失去对航行器的控制能力，MCU安全模块将直接切断主推进器动力电并控制抛载模块抛载。

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 (2)

1.一种便携式自主水下航行器多功能安全报警装置，其特征在于：包括MCU安全模块、抛载模块、深度传感器、漏液传感器、电量传感器、频闪灯和卫星通信模块；

所述MCU安全模块包括运行时间计数器，MCU安全模块通过自身通信接口采集深度传感器、漏液传感器以及电量传感器的数据，并对采集的数据以及运行时间计数器的计时数据进行判断；当判断当前航行器深度超过任务设定的安全深度、或判定航行器发生漏液、或航行器当前剩余电量小于设定安全电量、或航行器运行时间大于设置的最大安全工作时间时，MCU安全模块向便携式自主水下航行器的主控计算机发出紧急停车指令以及发出原地上浮指令，并接收主控计算机的反馈信号；若在设定时间内没有收到主控计算机的反馈信号，则再次向主控计算机发送紧急停车指令以及发出原地上浮指令；当达到设定的发送次数均没有收到主控计算机的反馈信号，则MCU安全模块切断便携式自主水下航行器的主推进器动力电并控制抛载模块抛载；若在设定时间内收到主控计算机的反馈信号，则继续采集深度传感器数据并判断，若在设定时间内，便携式自主水下航行器的深度没有减小，则MCU安全模块切断便携式自主水下航行器的主推进器动力电并控制抛载模块抛载；

所述频闪灯包括安装在航行器天线顶端的一红一绿两种频闪灯，当便携式自主水下航行器浮出水面后，一红一绿两种频闪灯各自对应表示航行器的工作状态是否正常；

所述卫星通信模块在便携式自主水下航行器浮出水面后，获取自身坐标信息并发送给母船。

2.一种利用权利要求1所述装置实现便携式自主水下航行器多功能安全报警逻辑控制的方法，其特征在于：

采用MCU安全模块实时监测航行器内部深度传感器、漏液传感器、电量传感器以及MCU安全模块内的航行器运行时间计数器的反馈数据，并根据反馈数据进行逻辑判定，如果符合抛载逻辑，则控制抛载模块抛载，并在浮出水面后控制表示故障的频闪灯上电，以及卫星通信模块上电；

所述抛载逻辑分为超时、超深、漏液、电池低电压四种抛载逻辑：

MCU安全模块监测深度传感器返回的航行器航行深度数据，对数据进行滤波处理，当判断当前航行器深度超过任务设定的安全深度，则向主控计算机发出紧急停车指令和原地上浮指令，然后等待主控计算机按照通信协议返回确认指令接收信号；如果计算机无反馈信号则重新发送紧急停车指令和原地上浮指令；在连续N次无反馈信号后，MCU安全模块不再向主控计算机发出紧急停车指令和原地上浮指令，直接切断便携式自主水下航行器的主推进器动力电并向抛载模块发出抛载指令，完成抛载；如果接收到主控计算机的反馈信息，则继续采集深度传感器数据并判断，若在设定时间内，便携式自主水下航行器的深度没有减小，则MCU安全模块切断便携式自主水下航行器的主推进器动力电并向抛载模块发出抛载指令，完成抛载；

MCU安全模块接收漏液传感器返回的电平信号，当漏液传感器返回表示漏液的电平信号并持续超过设定时间，则判定航行器发生漏液并向主控计算机发出紧急停车指令和原地上浮指令，然后等待主控计算机按照通信协议返回确认指令接收信号；如果计算机无反馈信号则重新发送紧急停车指令和原地上浮指令；在连续N次无反馈信号后，MCU安全模块不再向主控计算机发出紧急停车指令和原地上浮指令，直接切断便携式自主水下航行器的主推进器动力电并向抛载模块发出抛载指令，完成抛载；如果接收到主控计算机的反馈信息，则继续采集深度传感器数据并判断，若在设定时间内，便携式自主水下航行器的深度没有减小，则MCU安全模块切断便携式自主水下航行器的主推进器动力电并向抛载模块发出抛载指令，完成抛载；

MCU安全模块接收电量传感器返回的电池剩余电量数据，当电量传感器返回的电池剩余电量低于设定安全电量时，向主控计算机发送紧急停车指令和原地上浮指令，然后等待主控计算机按照通信协议返回确认指令接收信号；如果计算机无反馈信号则重新发送紧急停车指令和原地上浮指令；在连续N次无反馈信号后，MCU安全模块不再向主控计算机发出紧急停车指令和原地上浮指令，直接切断便携式自主水下航行器的主推进器动力电并向抛载模块发出抛载指令，完成抛载；如果接收到主控计算机的反馈信息，则继续采集深度传感器数据并判断，若在设定时间内，便携式自主水下航行器的深度没有减小，则MCU安全模块切断便携式自主水下航行器的主推进器动力电并向抛载模块发出抛载指令，完成抛载；

MCU安全模块监测航行器运行时间计数器记录的航行器运行时间，如果当前航行器运行时间大于设置的最大安全工作时间，则向主控计算机发送紧急停车指令和原地上浮指令，然后等待主控计算机按照通信协议返回指令接收信号；如果计算机无反馈信号则重新发送紧急停车指令和原地上浮指令；在连续N次无反馈信号后，MCU安全模块不再向主控计算机发出紧急停车指令和原地上浮指令，直接切断便携式自主水下航行器的主推进器动力电并向抛载模块发出抛载指令，完成抛载；如果接收到主控计算机的反馈信息，则继续采集深度传感器数据并判断，若在设定时间内，便携式自主水下航行器的深度没有减小，则MCU安全模块切断便携式自主水下航行器的主推进器动力电并向抛载模块发出抛载指令，完成抛载。