CN109839838A - 自主型潜水器高精度自适应同步与应急集成装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自主型潜水器高精度自适应同步与应急集成装置，包括自适应闭环压控UTC管理模块、协同工作驱动模块、指令任务交互模块、优先级任务调度模块、水面视觉定位、GPS与卫星通信管理模块、浮力调节模块、能源管理模块、即时通信模块和环境监督模块；任务调度模块分别与上述其他模块连接，且连接到自动驾驶仪。本发明采用协同管理各个功能模块，实现灯光示位处理、物理位置示位处理、短距离通讯处理、全球卫星通讯处理，实现潜水器应急抛载控制处理等，并且实现水下高精度GPS信息输出、协调设备同步使能；是高度集成化的低功耗高效率低延时的集成化装置，对于各种潜水器尤其自主型潜水器在长航程领域具有更重要的应用价值。

Description

自主型潜水器高精度自适应同步与应急集成装置

技术领域

本发明涉及潜水器高精度自适应管理领域，具体地说是一种自主型潜水器高精度自适应同步与应急集成装置。

背景技术

自主型潜水器上浮海面后，由于海况复杂、回收环境恶劣。若不及时发现回收，极易导致丢失。

因此潜水器上浮水面后快速定位，及时回收潜水器提出更高要求，另外潜水器故障执行应急抛载动作以保证潜水器在故障状态下也能够实现抛载上浮，保证潜水器安全；且充分利用处理器资源，通过软件处理代替硬件电路的方式来减小设备功耗与体积，增加潜水器航行探测时间。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种自主型潜水器高精度自适应同步与应急集成装置，解决水器应急抛载与上浮水面后进行视觉定位、即时通信问题；载体设备声学设备分时段精确驱动问题；以及如何将上述两种功能集成在同一任务调度模块中的问题。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种自主型潜水器高精度自适应同步与应急集成装置，包括视觉定位模块，通过驱动电路连接优先级任务调度模块，用于潜水器水面漂航阶段接收优先级任务调度模块发送的指令来进行频闪灯视觉定位操作；

通讯模块，通过总线连接优先级任务调度模块，用于发送潜水器水面漂航实时位置和工作状态到母船，并且接受母船发送的命令传输至优先级任务调度模块；

浮力调节模块，通过应急控制输出电路连接优先级任务调度模块，用于接受优先级任务调度模块指令，实现潜水器上浮、下潜以及应急抛载动作；

能源管理模块，连接优先级任务调度模块，用于根据优先级任务调度模块的指令选择装置的供电来源；

闭环压控UTC管理模块，通过总线连接优先级任务调度模块，用于输出脉冲到优先级任务调度模块以及给探测载核设备输出时间戳，优先级任务调度模块根据脉宽信息动态调节输出到闭环压控UTC管理模块的模拟量，实现时钟频率的实时校对，并提高设备时钟基准准确度；

指令任务交互模块，通过总线连接优先级任务调度模块，用于优先级任务调度模块与上位机进行指令交互，优先级任务调度模块根据要求执行对应操作并反馈信息给上位机；

设备协同工作驱动模块，连接优先级任务调度模块，用于实现各设备水下同步工作使能，提高潜水器定位精度；

环境监督模块，连接优先级任务调度模块，用于采集潜水器所处环境的状态信息，并转换成模拟量数据输出到优先级任务调度模块；

优先级任务调度模块通过总线连接自动驾驶仪，用于与自动驾驶仪进行数据和指令交互。

所述通讯模块包括GPS与卫星通讯管理模块和即时通讯模块，其中

GPS与卫星通讯管理模块，由同一控制器集中管理，打包数据后与优先级任务调度模块进行交互，实现两个系统互不干扰，提高优先级任务调度模块的实时性；用于潜水器在水面阶段接收GPS信息并通过卫星短信的方式发送至母船，实现潜水器定位功能；

即时通讯模块，由无线电台与RS232收发器组成；用于潜水器在水面阶段，将来自优先级任务调度模块的位置信息通过无线电的形式实时发送至母船的无线电终端，实现潜水器实时通讯功能。

所述闭环压控UTC管理模块包括压控时钟校对模块与UTC输出模块，其中压控时钟校对模块，用于输出基准脉冲至优先级任务调度模块，优先级任务调度模块通过检测脉冲宽度来判断基准脉冲的误差，然后通过模拟量输出至压控时钟校对模块来调节脉冲宽度，从而达到动态闭环调整；

UTC输出模块，用于接收来自压控时钟校对模块的秒脉冲，完成水下UTC时间的更新，并通过总线输出到相关设备；同时优先级任务调度模块也可通过总线设置UTC输出模块中的时间信息。

所述压控时钟校对模块由压控高稳晶振、DAC电路、分频计数电路组成，其中DAC电路，用于根据优先级任务调度模块发送来的配置参数，动态输出模拟电压到压控高稳晶振与优先级任务调度模块；

压控高稳晶振，用于根据不同的模拟量输出对应的频率脉冲到分频计数电路，

分频计数电路，用于将频率脉冲输出两路脉冲信号，其中一路为1Hz占空比为百分之五十的方波信号，输出到UTC输出模块，另外一路为1KHz占空比为百分之五十的方波信号，输出到优先级任务调度模块。

所述UTC输出模块由RS232收发器、CAN收发器和时钟计数电路组成，其中

时钟计数电路通过CAN收发器接收优先级任务调度模块的初始时钟配置信息，时钟计数电路连接到压控时钟校对模块接收1Hz脉冲信号，作为水下航行时的秒时钟，时钟计数电路通过RS232收发器将时间信息发送至外部探测载荷设备。

所述优先级任务调度模块包括高精度自适应同步模块与应急功能模块；其中高精度自适应同步模块，采用双时钟逻辑比较方法，由高频信号检测压控时钟校对模块输出的1KHz低频信号脉宽数值，与预期阈值进行比较，动态调节压控时钟校对模块的基准脉冲；输出使能信号来控制各外设的工作顺序与工作时间；并获取GPS信息后，发送给UTC输出模块；

应急功能模块，用于潜水器工作环境判断、应急抛载上浮执行以及水面定位信息的发送。

所述高精度自适应同步模块由高频信号输出模块、低频信号脉宽检测模块、数字比较电路、外设隔离驱动电路和时钟配置模块组成，

高频信号输出模块连接到低频信号脉宽检测模块，用高频信号对低频信号的脉宽进行计数操作得到实际数值，低频信号脉宽检测模块连接数字比较器，将实际数值与预期阈值进行比较后输出误差值到压控时钟校对模块的DAC电路；外设隔离驱动电路以压控时钟校对模块的1KHz信号为基准，根据指令任务交互模块接收的用户配置信息生成不同要求的驱动信号到外部设备；时钟配置模块接收由应急功能模块采集的GPS时间信息，处理成规定格式后，通过CAN总线发送到UTC输出模块系统时钟的初始化操作。

所述应急功能模块由视觉模块供电与驱动控制电路、应急机制驱动电路、RS232收发电路以及状态与环境变量检测电路组成；

状态与环境变量检测电路采集各环境监测传感器的模拟值，判断潜水器实时的作业环境；RS232收发电路接受GPS信息，处理后通过RS232收发器发送给即时通信模块与高精度自适应同步模块；当接收到AP舱的抛载指令时，应急机制驱动电路输出大功率驱动来控制浮力调节模块，使潜水器完成抛载上浮操作；当检测到潜水器上浮水面后，视觉模块供电与通讯模块供电电路使能，为频闪灯、GPS、卫星通讯、无线电供电，实现向母船发送信息的操作。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明集合度高、小型化、功耗低。提高潜水器的航行时间，同时又可以与潜水器进行数据交换和监控潜水器航行控制主机，可以嵌入安装到各种类型的潜水器中；

2.本发明提供视觉定位、即时通讯、全球卫星通讯以及实现潜水器应急安全控制处理以及高精度的声学设备同步驱动功能等；将硬件部分合二为一，最大限度减小功耗与体积，优化整体设计方案；

3.本发明最大程度上保证潜水器的安全，减少可能的损失；

4.本发明各功能模块集成安装在一个水密密封舱内，可以满足不同深度的潜水器应用需求。

附图说明

图1是本发明的总体结构图；

图2是本发明的闭环压控UTC管理模块结构图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示为本发明的总体结构图。

一种自主型潜水器高精度自适应同步与应急集成装置，包括优先级任务调度模块、视觉定位、GPS与卫星通讯管理模块、即时通讯模块、浮力调节模块、能源管理模块、闭环压控UTC管理模块、指令任务交互模块、设备协同工作驱动模块与环境监督模块。

优先级任务调度模块与上述模块分别连接，且连接到自动驾驶仪。

只采用一个任务调度模块实现高精度同步与应急功能的高度集成化装置；

优先级任务调度模块通过总线通讯连接到自动驾驶仪，与自动驾驶仪进行数据和指令交互；

优先级任务调度模块通过驱动电路连接到视觉定位模块，为其提供使能驱动信号；

优先级任务调度模块通过总线与GPS与卫星通讯管理模块和即时通讯模块进行数据交互，形成向岸基发送实时定位数据的双冗余结构；

优先级任务调度模块通过应急控制输出电路连接到浮力调节模块，实现应急抛载动作；

优先级任务调度模块连接能源管理模块，用于选择本装置的能源；

优先级任务调度模块通过总线连接水下UTC模块，获取潜水器在水下航行时的时间信息；

优先级任务调度模块通过总线连接闭环压控时钟管理模块，实现对水下时钟精度进行高精度快响应的闭环动态调节；

优先级任务调度模块通过总线连接指令任务交互模块，实现航行指令灵活配置；

优先级任务调度模块连接设备协同工作驱动模块，实现对潜水器搭载设备协同分时段工作的控制；

优先级任务调度模块采集环境监督模块输出模拟量数据，获取潜水器所处环境的温度、压力、湿度等变量；

优先级任务调度模块可根据潜水器不同使命状态情况下，实时动态调整各任务优先级别；

闭环压控时钟管理模块由脉冲脉宽采集、数字比较器、ADC微调电路组成；

设备协同工作驱动模块采用双时钟逻辑比较方法，检测低频率脉宽数值并与阈值进行比较，确保设备间的驱动信号间隔误差控制在微秒级；

GPS与卫星通讯管理模块由同一控制器集中管理，打包数据后与优先级任务调度模块进行交互，实现两个系统互不干扰，提高优先级任务调度模块的实时性；

浮力调节模块由多级恒流装置驱动，防止操作误触发；

优先级任务调度模块通过总线与自动驾驶仪进行数据传输与解析；

潜水器在正常航行时，优先级任务调度模块与自动驾驶仪进行双向数据解析，判断对方是否处在正常使命航行状态下；

如果自动驾驶仪未发送故障信息，则优先级任务调度模块服从自动驾驶仪指令控制；

如果自动驾驶仪发送故障信息，则操作由优先级任务调度模块接管。

根据高稳时钟源温飘曲线与实时采集的时钟脉宽进行双重判断，动态输出DAC数据进行温度补偿，确保时钟源精度；

用户可根据潜水器搭载的设备对驱动脉冲的多种需求，通过指令交互模块将参数写入优先级任务调度模块从而满足设备驱动需求。

如图2所示为本发明的闭环压控UTC管理模块结构图。

闭环压控UTC管理模块包括压控时钟校对模块与UTC输出模块，其中

压控时钟校对模块负责输出基准脉冲至优先级任务调度模块，优先级任务调度模块通过检测脉冲宽度来判断基准脉冲的误差，然后通过模拟量输出至压控时钟校对模块来调节脉冲宽度，从而达到动态闭环调整。

UTC输出模块负责接收来自压控时钟校对模块的秒脉冲，完成水下UTC时间的更新，并通过总线输出到相关设备；同时优先级任务调度模块也可通过总线设置UTC输出模块中的时间信息。

压控时钟校对模块由压控高稳晶振、DAC电路、分频计数电路等组成，其中DAC电路根据优先级任务调度模块发送来的配置参数，动态输出模拟电压到压控高稳晶振与优先级任务调度模块，压控高稳晶振根据不同的模拟量输出对应的频率脉冲到分频计数电路，经过分频计数电路处理，输出两路脉冲信号；其中一路为1Hz占空比为百分之五十的方波信号，输出到UTC输出模块；另外一路为1KHz占空比为百分之五十的方波信号，输出到优先级任务调度模块。

UTC输出模块由RS232收发器、CAN收发器、时钟计数电路组成，其中时钟计数电路通过CAN收发器接收优先级任务调度模块的初始时钟配置信息，时钟计数电路连接到压控时钟校对模块接收1Hz脉冲信号，作为水下航行时的秒时钟，时钟计数电路通过RS232收发器将时间信息发送至外部探测载荷设备。

Claims (8)

1.一种自主型潜水器高精度自适应同步与应急集成装置，其特征在于，包括

视觉定位模块，通过驱动电路连接优先级任务调度模块，用于潜水器水面漂航阶段接收优先级任务调度模块发送的指令来进行频闪灯视觉定位操作；

通讯模块，通过总线连接优先级任务调度模块，用于发送潜水器水面漂航实时位置和工作状态到母船，并且接受母船发送的命令传输至优先级任务调度模块；

浮力调节模块，通过应急控制输出电路连接优先级任务调度模块，用于接受优先级任务调度模块指令，实现潜水器上浮、下潜以及应急抛载动作；

能源管理模块，连接优先级任务调度模块，用于根据优先级任务调度模块的指令选择装置的供电来源；

闭环压控UTC管理模块，通过总线连接优先级任务调度模块，用于输出脉冲到优先级任务调度模块以及给探测载核设备输出时间戳，优先级任务调度模块根据脉宽信息动态调节输出到闭环压控UTC管理模块的模拟量，实现时钟频率的实时校对，并提高设备时钟基准准确度；

指令任务交互模块，通过总线连接优先级任务调度模块，用于优先级任务调度模块与上位机进行指令交互，优先级任务调度模块根据要求执行对应操作并反馈信息给上位机；

设备协同工作驱动模块，连接优先级任务调度模块，用于实现各设备水下同步工作使能，提高潜水器定位精度；

环境监督模块，连接优先级任务调度模块，用于采集潜水器所处环境的状态信息，并转换成模拟量数据输出到优先级任务调度模块；

优先级任务调度模块通过总线连接自动驾驶仪，用于与自动驾驶仪进行数据和指令交互。

2.根据权利要求1所述的自主型潜水器高精度自适应同步与应急集成装置，其特征在于：所述通讯模块包括GPS与卫星通讯管理模块和即时通讯模块，其中

GPS与卫星通讯管理模块，由同一控制器集中管理，打包数据后与优先级任务调度模块进行交互，实现两个系统互不干扰，提高优先级任务调度模块的实时性；用于潜水器在水面阶段接收GPS信息并通过卫星短信的方式发送至母船，实现潜水器定位功能；

即时通讯模块，由无线电台与RS232收发器组成；用于潜水器在水面阶段，将来自优先级任务调度模块的位置信息通过无线电的形式实时发送至母船的无线电终端，实现潜水器实时通讯功能。

3.根据权利要求1所述的自主型潜水器高精度自适应同步与应急集成装置，其特征在于：所述闭环压控UTC管理模块包括压控时钟校对模块与UTC输出模块，其中

压控时钟校对模块，用于输出基准脉冲至优先级任务调度模块，优先级任务调度模块通过检测脉冲宽度来判断基准脉冲的误差，然后通过模拟量输出至压控时钟校对模块来调节脉冲宽度，从而达到动态闭环调整；

UTC输出模块，用于接收来自压控时钟校对模块的秒脉冲，完成水下UTC时间的更新，并通过总线输出到相关设备；同时优先级任务调度模块也可通过总线设置UTC输出模块中的时间信息。

4.根据权利要求3所述的自主型潜水器高精度自适应同步与应急集成装置，其特征在于：所述压控时钟校对模块由压控高稳晶振、DAC电路、分频计数电路组成，其中

DAC电路，用于根据优先级任务调度模块发送来的配置参数，动态输出模拟电压到压控高稳晶振与优先级任务调度模块；

压控高稳晶振，用于根据不同的模拟量输出对应的频率脉冲到分频计数电路，

分频计数电路，用于将频率脉冲输出两路脉冲信号，其中一路为1Hz占空比为百分之五十的方波信号，输出到UTC输出模块，另外一路为1KHz占空比为百分之五十的方波信号，输出到优先级任务调度模块。

5.根据权利要求3所述的自主型潜水器高精度自适应同步与应急集成装置，其特征在于：所述UTC输出模块由RS232收发器、CAN收发器和时钟计数电路组成，其中

时钟计数电路通过CAN收发器接收优先级任务调度模块的初始时钟配置信息，时钟计数电路连接到压控时钟校对模块接收1Hz脉冲信号，作为水下航行时的秒时钟，时钟计数电路通过RS232收发器将时间信息发送至外部探测载荷设备。

6.根据权利要求1所述的自主型潜水器高精度自适应同步与应急集成装置，其特征在于：所述优先级任务调度模块包括高精度自适应同步模块与应急功能模块；其中

高精度自适应同步模块，采用双时钟逻辑比较方法，由高频信号检测压控时钟校对模块输出的1KHz低频信号脉宽数值，与预期阈值进行比较，动态调节压控时钟校对模块的基准脉冲；输出使能信号来控制各外设的工作顺序与工作时间；并获取GPS信息后，发送给UTC输出模块；

应急功能模块，用于潜水器工作环境判断、应急抛载上浮执行以及水面定位信息的发送。

7.根据权利要求6所述的自主型潜水器高精度自适应同步与应急集成装置，其特征在于：所述高精度自适应同步模块由高频信号输出模块、低频信号脉宽检测模块、数字比较电路、外设隔离驱动电路和时钟配置模块组成，

高频信号输出模块连接到低频信号脉宽检测模块，用高频信号对低频信号的脉宽进行计数操作得到实际数值，低频信号脉宽检测模块连接数字比较器，将实际数值与预期阈值进行比较后输出误差值到压控时钟校对模块的DAC电路；外设隔离驱动电路以压控时钟校对模块的1KHz信号为基准，根据指令任务交互模块接收的用户配置信息生成不同要求的驱动信号到外部设备；时钟配置模块接收由应急功能模块采集的GPS时间信息，处理成规定格式后，通过CAN总线发送到UTC输出模块系统时钟的初始化操作。

8.根据权利要求6所述的自主型潜水器高精度自适应同步与应急集成装置，其特征在于：所述应急功能模块由视觉模块供电与驱动控制电路、应急机制驱动电路、RS232收发电路以及状态与环境变量检测电路组成；

状态与环境变量检测电路采集各环境监测传感器的模拟值，判断潜水器实时的作业环境；RS232收发电路接受GPS信息，处理后通过RS232收发器发送给即时通信模块与高精度自适应同步模块；当接收到AP舱的抛载指令时，应急机制驱动电路输出大功率驱动来控制浮力调节模块，使潜水器完成抛载上浮操作；当检测到潜水器上浮水面后，视觉模块供电与通讯模块供电电路使能，为频闪灯、GPS、卫星通讯、无线电供电，实现向母船发送信息的操作。