CN109407669A - 一种多层式容错型自航船模的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层式容错型自航船模的控制方法，属于自航模试验领域。该方法包括算法逻辑控制器根据船舶模型的第一运行数据和预定值，检测船舶模型是否发生硬件故障，若检测到船舶模型发生硬件故障则生成故障错误字；运动控制器检测计时器的数值是否大于预设时间；若检测到数值差大于预设时间则生成故障错误字；发送控制指令或故障错误字；FPGA解算器接收控制指令或故障错误字；当接收到控制指令时检测计时器的数值是否大于预设时间；若检测到计时器的数值大于预设时间或接收到故障错误字时则控制电机停止运行和水舱排水；解决了自航船模难以对多种异常情况进行全面处理的问题；达到了提高自航船模的程序容错性，提高试验安全性的效果。

Description

一种多层式容错型自航船模的控制方法

技术领域

本发明实施例涉及自航模试验领域，特别涉及一种多层式容错型自航船模的控制方法。

背景技术

为了评判船舶等水下航行器的操纵性能的优劣，一般选择用自由自航模型完成特定条件下的试验公开，通过采集到的数据来预报分析船舶在实际海况下的操纵性能。

由于在试验过程中，船舶模型处于完全自由的状态，船舶模型内的控制器与岸基的主控制端通过无线连接。然而，无线连接具有很大的不确定性，一旦发生通信异常的现象，船模可能会失控，对船模和内部重要设备的安全造成极大威胁。

此外，除了通信故障，自航船模在试验过程中还会出现设备运行异常的情况。自航船模包括舵机、船桨、推进器等设备，每个设备的运行状态都会岸基的主控制端的界面上显示，然而，对于设备较多的自航船模来说，主控制端的界面上显示的繁复的数据界面使得操作者并不能第一时间发现异常情况，这种情况下也容易对船模和内部重要设备的安全造成极大的影响。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种多层式容错型自航船模的控制方法。该技术方案如下：

第一方面，提供了一种多层式容错型自航船模的控制方法，应用于多层式容错型自航船舶控制系统，多层式容错型自航船舶控制系统包括算法逻辑控制器、运动控制器和FPGA解算器；

该方法包括：

通过算法逻辑控制器，接收试验工况指令，根据试验工况指令生成运动控制信号；根据船舶模型的第一运行数据和预定值，检测船舶模型是否发生硬件故障，若检测到船舶模型发生硬件故障，则生成故障错误字；向运动控制器发送运动控制信号或故障错误字；

通过运动控制器，接收运动控制信号或故障错误字；当接收到运动控制信号时，检测接收到运动控制信号时计时器的数值是否大于预设时间；若检测到计时器的数值不大于预设时间，则检测船舶模型的第二运行数据和预定值之间的差值是否大于误差范围，若检测到差值大于误差范围，则生成故障错误字，若检测到差值小于误差范围，则根据运动控制信号生成控制指令；若检测到计时器的数值差大于预设时间，则生成故障错误字；发送控制指令或故障错误字；

通过FPGA解算器，接收控制指令或故障错误字；当接收到控制指令时，检测接收到控制指令时计时器的数值是否大于预设时间；若检测到计时器的数值不大于预设时间，则根据控制指令控制舵机和水舱的电机以及推进器的驱动器；若检测到计时器的数值大于预设时间，则控制电机停止运行和水舱排水；当接收到故障错误字时，根据故障错误字控制电机停止运行和水舱排水；

其中，试验工况指令包括船舶模型的预定运行深度、推进器的预定转速和每组舵的预定角度；船舶模型的第一运行数据包括姿态数据和深度数据；船舶模型的第二运行数据包括舵机的舵角、推进器的转速和水舱水位；运动控制信号包括舵机的舵角、水舱水位和推进器的转速；

运动控制器中的计时器在接收到运动控制信号或故障错误字后清零，FPGA解算器中的计时器在接收到控制指令或故障错误字后清零；

故障错误字用于控制电机停止和水舱排水。

可选的，在算法逻辑控制器中，

根据试验工况指令生成运动控制信号，包括：

解析试验工况指令得到指令参数，根据指令参数生成运动控制信号，并将指令参数存入映像存储区；

根据船舶模型的第一运行数据和预定值，检测船舶模型是否发生硬件故障，包括：

通过深度计获取船舶模型所在的深度数据，通过陀螺仪获取船舶模型的姿态数据；

检测深度数据是否大于预定深度，和/或，检测姿态数据对应的姿态角是否大于预定姿态角；

若检测到深度数据大于预定深度和/或姿态角大于预定姿态角，则判断船舶模型发生硬件故障；

向运动控制器发送运动控制信号或故障错误字，包括：

按预定时间周期向运动控制器发送存储在映像存储区的运动控制信号或故障错误字。

可选的，在运动控制器中，

检测船舶模型的第二运行数据和预定值之间的差值是否大于误差范围，包括：

获取舵机的舵角、推进器的转速和水舱水位；

检测舵机的舵角与预定舵角之间的差值是否大于误差范围，和/或，推进器的转速与预定转速之间的差值是否大于误差范围，和/或，水舱水位与预定水位之间的差值是否大于误差范围；

若检测到差值大于误差范围，则生成故障错误字，并存入映像存储区；

若检测到差值小于误差范围，则生成控制指令，并存入映像存储区。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

利用硬件上实时反馈的数据与预设的正常值进行实时比对，根根据实时反馈的数据与预设的正常值之间的差值检测自航船模是否发生硬件故障，在检测到自航船模发生硬件故障时发送故障错误字，根据故障错误字，自航船模实现紧急制动机制，保护了自航船模；同时，将自航船模的控制器分为三层，相应地处理过程也分为三层，利用本层对上一层进行软件检测，即利用两层之间通实时信的时间判断上层是否出现错误，当通信时间超出预定时间时，判断上层出现错误，发送故障错误字，根据故障错误字，自航船模实现紧急制动机制，保护了自航船模。

通过明确多层式容错式自航船模的控制系统的架构方式，提高了控制程序的执行效率，还通过三层式架构对试验过程中可能出现的机械故障和通信故障进行有效地处理，防止自航船模失控，进一步地提高了程序容错性，有利于提高试验的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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是根据一示例性实施例示出的一种多层式容错型自航船模的控制系统的结构示意图；

图2是根据一示例性实施例示出的一种算法任务的执行示意图；

图3是根据一示例性实施例示出的一种运动控制任务的执行示意图；

图4是根据一示例性实施例示出的一种底层信号任务的执行示意图；

图5是根据一示例性实施例示出的一种多层容错型自航船模的控制方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

自由自航船舶模型包括深度计、陀螺仪、舵机、推进器、水舱、无线通信模块。

深度计安装在船舶模型的底部，用于测量船舶模型在试验水池中的深度和深度变化率。

陀螺仪安装在船舶模型的重心位置处，用于测量船舶模型在试验时能够表示船舶模型的姿态的9个物理量，分别为横摇、纵摇、艏向角、横摇角速度、纵摇角速度、x轴加速度、y轴加速度和z轴加速度。

舵机包括三组，每组舵机由伺服电机、谐波减速箱和编码器组合而成，三组舵机中的一组安装于船舶模型的中部，另外两组安装于船舶模型的尾部；利用三组舵机改变船舶模型的深度、姿态和航行。通过伺服电机的位置模式、脉冲控制来控制舵机；编码器反馈采用RS422数字量反馈，有助于减少干扰影响。

推进器是一部直流伺服电机，安装于船舶模块的尾部，用于为船舶模型提供推进力；利用RS232通讯实现控制。

水舱是一种由伺服电机和丝杆组成的装置，安装于船舶模型的中部，用于通过抽排水实现船舶模型的紧急上浮或下沉。通过伺服电机的位置模式、脉冲控制来控制水舱；通过RS422串口接收位移传感器发送的数据并转换得到水舱水位。

无线通信模块用于接收岸基的主控制端发送的试验工况指令。可选的，试验工况指令包括工况旋转、作业参数、起停信号等。

请参考图1，其示出了本发明一个实施例提供的一种多层式容错型自航船模的控制系统的结构示意图。如图1所示，该多层式容错型自航船模的控制系统包括三个硬件层，即算法逻辑控制器110、运动控制器120和FPGA解算器130，其中，算法逻辑控制器110、运动控制器120和FPGA解算器130均具备独立运算的能力，算法逻辑控制器110是该系统的顶层，FPGA解算器130是该系统的最底层；算法逻辑控制器110、运动控制器120与FPGA解算器130建立实时通信机制。

算法逻辑控制器110通过RS232串口与无线通信模块111连接，通过RS485串口与深度计112连接，通过RS422串口与陀螺仪113连接；算法逻辑控制器110通过网口以UDP协议的方式与运动控制器120连接。

算法逻辑控制器根据不同的试验工况以及采集到的船舶模型的深度、姿态信息解算出逻辑运动控制信号。

运动控制器120通过网口以UDP协议的方式与算法逻辑控制器110连接，接收算法逻辑控制器110发送的逻辑运动控制信号。

运动控制器120通过电流AI口与船舶模型的舵机121连接，通过RS232串口与推进器122连接，通过RS422串口与水舱123连接。运动控制器120通过内部IO接口与FPGA解算器130连接。

运动控制器向FPGA解算器发送命令信号，所述命令信号包括舵角、转速、水舱水位。

FPGA解算器130通过IO接口与舵机121连接，控制舵机旋转；通过RS232串口与推进器122连接，控制推进器122旋转；通过IO接口与水舱123连接，控制水舱水位。

在多层式容错型自航船模的控制系统系统，算法逻辑控制器110执行算法任务，运动控制器120执行运动控制任务，FPGA解算器130执行底层信号任务。每个任务多线程运行，每个硬件层具备独立控制功能。

在逻辑控制器110和运动控制器120内建立映像存储区，映像存储区是向下一层发送的数据的存储区，能够避免数据收发混乱。

算法任务包括2个线程，分别为：命令接收线程、工况处理线程，如图2所示，2个线程并行运行。

运动控制任务包括3个线程，分别为：命令接收线程、运动控制线程、错检测线程，如图3所示，3个线程并行运行。

底层信号任务包括2个线程，分别为：命令接收线程、错误检测线程，如图4所示，2个线程并行运行。

其中，算法任务包括2层，主流程层和硬件故障检测层；运动控制任务包括3层，主流程层、硬件故障检测层和软件故障检测层；底层信号任务包括3层，主流程层、硬件故障检测层和软件故障检测层，如图5所示。

算法任务和运动控制任务的主流程层是正常公开计算层，用于依据本层的输入信息和预定功能，计算出命令参数，并将命令参数以特定形式存储入对应的映像存储区。

在映像存储区的数据由定时程序按预定时间周期向下一层发送。可选的，预定时间周期为50ms。

硬件故障检测层用于检测船舶模型是否出现硬件故障。可选的，硬件故障包括驱动失效、卡舵等机械故障。

软件故障检测层用于根据接收信号的时间差，检测本层与上一层是否出现通讯故障，比如程序卡顿或通讯断开。

本发明实施例提供的多层式容错型自航船模的控制方法应用于如图1所示的多层容错型自航船模的控制系统中。

在自航船舶模型的试验开始时，操作者在岸基的主控器端的操作界面上选择试验工况，即船舶模型的预定运行深度、推进器的转速、三组舵机中每组舵机的预定角度，向自航船舶模型内的算法逻辑控制器发送试验工况指令；试验工况指令包括船舶模型的预定运行深度、推进器的预定转速和每组舵的预定角度。

在算法控制器中；

解析试验工况指令得到指令参数，根据指令参数生成运动控制信号，并将运动控制信号存入映像存储区。

根据船舶模型的第一运行数据和预定值，检测船舶模型是否发生硬件故障。

船舶模型的第一运行数据包括姿态数据和深度数据。

具体的，通过深度计获取船舶模型所在的深度数据，通过陀螺仪获取船舶模型的姿态数据；检测深度数据是否大于预定深度，和/或，检测姿态数据对应的姿态角是否大于预定姿态角。

若检测到船舶模型发生硬件故障，则生成故障错误字。

若检测到深度数据大于预定深度和/或姿态角大于预定姿态角，则判断船舶模型发生硬件故障。

向运动控制器发送运动控制信号或故障错误字。

按预定时间周期从映像存储区读取并发送运动控制信号至运动控制器。

运动控制信号包括舵机的舵角、水舱水位和推进器的转速。

当生成故障错误字时，向运动控制器发送故障错误字。

在运动控制器中：

接收运动控制信号或故障错误字。

当接收到运动控制信号时，检测接收到运动控制信号时计时器的数值是否大于预设时间。

若检测到时间差大于预设时间，则生成故障错误字。

若检测到时间差不大于预设时间，则检测船舶模型的第二运行数据和预定值之间的差值是否大于误差范围，若检测到差值大于误差范围，则生成故障错误字；若检测到差值小于误差范围，则根据运动控制信号生成控制指令。

船舶模型的第二运行数据包括舵机的舵角、推进器的转速和水舱水位。

预定值是根据运动控制信号确定的，根据运动控制信号确定的预定值与第二运行数据之间的差值生成控制指令。

具体地，检测舵机的舵角与预定舵角之间的差值是否大于误差范围，和/或，推进器的转速与预定转速之间的差值是否大于误差范围，和/或，水舱水位与预定水位之间的差值是否大于误差范围；若检测到差值大于误差范围，则生成故障错误字，并存入映像存储区；若检测到差值小于误差范围，则生成控制指令，并存入映像存储区。

控制指令用于控制舵机、推进器、水舱。

运动控制器中错误检测线程的计时器在接收到运动控制信号或故障错误字后清零。

向FPGA解算器发送控制指令或故障错误字。

当生成控制指令时，向FPGA解算器发送控制指令。

当接收到故障错误字时，直接向FPGA解算器发送故障错误字，实现对船舶模型的保护。故障错误字用于控制电机停止和水舱排水。

当生成故障错误字时，直接向FPGA解算器发送故障错误字，实现对船舶模型的保护。

在FPGA解算器中：

接收控制指令或故障错误字。

当接收到控制指令时，检测接收到控制指令时计时器的数值是否大于预设时间。

若检测到计时器的数值大于预设时间，则控制电机停止和水舱排水；

若检测到计时器的数值不大于预定时间，则根据控制指令控制舵机和水舱的电机以及推进器的驱动器。

FPGA根据控制指令产生高频率的脉冲发送至舵机的电机和水舱的电机，同时将直流电机的控制指令下达至推进器的驱动器中。

当接收到故障错误字时，根据故障错误字控制电机停止和水舱排水。

电机根据故障错误字停止工作，水舱根据故障错误字排水。

需要说明的是，在多层容错型自航船模的控制系统工作时，算法逻辑控制器接收运动控制器发送的包括推进器、舵机、水舱水位的报文，对报文进行解析并发送至岸基的主控制器端，由主控制器端显示自航船模的推进器、舵机和水舱的实时状态。

本发明实施例提供的多层容错式自航船模的控制方法，利用硬件上实时反馈的数据与预设的正常值进行实时比对，根根据实时反馈的数据与预设的正常值之间的差值检测自航船模是否发生硬件故障，在检测到自航船模发生硬件故障时发送故障错误字，根据故障错误字，自航船模实现紧急制动机制，保护了自航船模；同时，将自航船模的控制器分为三层，相应地处理过程也分为三层，利用本层对上一层进行软件检测，即利用两层之间通实时信的时间判断上层是否出现错误，当通信时间超出预定时间时，判断上层出现错误，发送故障错误字，根据故障错误字，自航船模实现紧急制动机制，保护了自航船模。

通过明确多层容错式自航船模的控制系统的架构方式，提高了控制程序的执行效率，还通过三层式架构对试验过程中可能出现的机械故障和通信故障进行有效地处理，防止自航船模失控，进一步地提高了程序容错性，有利于提高试验的安全性。

需要说明的是：上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种多层式容错型自航船模的控制方法，其特征在于，应用于多层式容错型自航船舶控制系统，所述多层式容错型自航船舶控制系统包括算法逻辑控制器、运动控制器和FPGA解算器；

所述方法包括：

通过所述算法逻辑控制器，接收试验工况指令，根据所述试验工况指令生成运动控制信号；根据船舶模型的第一运行数据和预定值，检测所述船舶模型是否发生硬件故障，若检测到所述船舶模型发生硬件故障，则生成故障错误字；向所述运动控制器发送运动控制信号或故障错误字；

通过所述运动控制器，接收所述运动控制信号或故障错误字；当接收到所述运动控制信号时，检测接收到所述运动控制信号时计时器的数值是否大于预设时间；若检测到所述计时器的数值不大于所述预设时间，则检测所述船舶模型的第二运行数据和预定值之间的差值是否大于误差范围，若检测到所述差值大于所述误差范围，则生成故障错误字，若检测到所述差值小于所述误差范围，则根据所述运动控制信号生成控制指令；若检测到所述计时器的数值差大于预设时间，则生成故障错误字；发送控制指令或故障错误字；

通过所述FPGA解算器，接收所述控制指令或所述故障错误字；当接收到控制指令时，检测接收到所述控制指令时计时器的数值是否大于预设时间；若检测到所述计时器的数值不大于所述预设时间，则根据所述控制指令控制舵机和水舱的电机以及推进器的驱动器；若检测到所述计时器的数值大于预设时间，则控制电机停止运行和水舱排水；当接收到故障错误字时，根据所述故障错误字控制电机停止运行和水舱排水；

其中，所述试验工况指令包括船舶模型的预定运行深度、推进器的预定转速和每组舵的预定角度；所述船舶模型的第一运行数据包括姿态数据和深度数据；所述船舶模型的第二运行数据包括舵机的舵角、推进器的转速和水舱水位；所述运动控制信号包括舵机的舵角、水舱水位和推进器的转速；

所述运动控制器中的计时器在接收到所述运动控制信号或故障错误字后清零，所述FPGA解算器中的计时器在接收到所述控制指令或故障错误字后清零；

所述故障错误字用于控制电机停止和水舱排水。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在所述算法逻辑控制器中，

所述根据所述试验工况指令生成运动控制信号，包括：

解析所述试验工况指令得到指令参数，根据所述指令参数生成运动控制信号，并将所述指令参数存入映像存储区；

所述根据船舶模型的第一运行数据和预定值，检测所述船舶模型是否发生硬件故障，包括：

通过深度计获取所述船舶模型所在的深度数据，通过陀螺仪获取所述船舶模型的姿态数据；

检测所述深度数据是否大于预定深度，和/或，检测所述姿态数据对应的姿态角是否大于预定姿态角；

若检测到所述深度数据大于预定深度和/或姿态角大于预定姿态角，则判断所述船舶模型发生硬件故障；

所述向所述运动控制器发送运动控制信号或故障错误字，包括：

按预定时间周期向所述运动控制器发送存储在所述映像存储区的运动控制信号或故障错误字。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在所述运动控制器中，

所述检测所述船舶模型的第二运行数据和预定值之间的差值是否大于误差范围，包括：

获取舵机的舵角、推进器的转速和水舱水位；

检测所述舵机的舵角与预定舵角之间的差值是否大于误差范围，和/或，所述推进器的转速与预定转速之间的差值是否大于误差范围，和/或，所述水舱水位与预定水位之间的差值是否大于误差范围；

若检测到差值大于误差范围，则生成故障错误字，并存入映像存储区；

若检测到所述差值小于所述误差范围，则生成控制指令，并存入映像存储区。