CN111731459A - 一种用于仿生柔体潜水器的控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于仿生柔体潜水器的控制系统，包括驱动控制模块、外设操作模块和任务通讯模块，驱动控制模块与外设操作模块位于仿生柔体潜水器的舱体的中部舱段，任务通讯模块指PC机上的上位机软件；各模块之间基于确定的通信协议进行通信。采用模块化结构，使得控制系统中的每个功能模块都可以单独设计，修改简单，并且方便移植到其他航行器上使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于水下航行器的控制系统方案设计，具体地说，涉及一种用于仿生柔体潜水器的控制系统方案设计。
背景技术
水下滑翔机是一种在海洋中作滑翔运动并在运动过程中采集观测海洋环境的新型观测平台，利用自身重力与浮力差驱动运动，实现海洋的大区域多尺度监测，适用于海洋环境观测和军事领域的探测。仿生柔体潜水器在水下滑翔机原理基础上，结合滑翔机的滑翔推进和仿海洋生物蝠鲼的柔性推进，实现滑扑一体化，具有更好的机动性和更高的隐蔽性。
控制系统设计是实现仿生柔体潜水器的智能化的研究重点。随着计算机、电子及自动化技术的进步，水下机器人的控制技术也得到了很大的发展。水下航行器控制系统结构分为集中控制结构和分散控制结构，目前存在移植性和扩展性较差的问题。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，实现仿生柔体潜水器软件开发的便捷性、灵活性和复用性，本发明提出一种用于仿生柔体潜水器的控制系统方案设计。
技术方案
一种用于仿生柔体潜水器的控制系统，其特征在于包括驱动控制模块、外设操作模块和任务通讯模块，驱动控制模块与外设操作模块位于仿生柔体潜水器的舱体的中部舱段，任务通讯模块指PC机上的上位机软件；各模块之间基于确定的通信协议进行通信；所述的驱动控制模块包括底层驱动模块和控制算法模块，底层驱动模块由主控制器和针对主控制器上外设的驱动构成，主控制器与外设之间的驱动方式即通信方式包括USART，IIC，RS232，CAN通信；控制算法模块包括航向控制算法模块、路径规划算法模块、安全保障程序模块；由驱动控制模块发送指令驱动各个外设：姿态传感器SBG、铱星/GPS模块、数据存储模块、数传电台、油缸测距传感器、俯仰测距传感器、压力传感器、角度传感器、俯仰电机、横滚电机、液压站电机、四个扑翼舵机以及抛载机构；外设操作模块对这些外设的初始化、参数设置、数据采集与传送；所述的任务通讯模块分为任务模块和通讯模块，任务模块分为周期滑翔、滑扑一体、路径规划、安全保障四部分；通讯模块分为Wifi通讯、铱星/GPS通讯、数传电台通讯；任务通讯模块与驱动控制模块建立通讯连接，发送具体任务参数到驱动控制模块，经过驱动控制模块解算分析后，通过设定好的通信协议驱动外设操作模块工作以完成任务。
所述的主控制器通过RS232与姿态传感器SBG通信，获取航行器当前的横滚角、俯仰角、航向角信息；铱星/GPS模块和数据存储模块都通过USART2与主控制器通信，采用分时工作的方式，铱星/GPS模块工作时，获取GPS数据信息以及透传数据，数据存储模块工作时，实时向数据存储模块存储数据以及从存储模块读取数据；主控制器通过USART3与数传电台通信，获取上位机下发的任务指令以及向数传电台发送各个传感器的数据；主控制器通过USART4与油缸测距传感器通信，获取浮力仓活塞移动的距离从而计算当前浮力；主控制器通过USART5与俯仰测距传感器通信，获取质心机构铅块移动的距离；主控制器通过IIC总线与压力传感器和角度传感器通信，从压力传感器获取压力值计算得到当前水深，角度传感器输出横滚机构的角度；主控制器通过CAN总线控制四个扑翼舵机驱动电路从而驱动舵机运动；主控制器通过I/O控制俯仰电机驱动电路、横滚电机驱动电路从而驱动俯仰电机、横滚电机运动；主控制器通过DAC控制液压电机驱动电路从而驱动液压电机运动；主控制器通过I/O控制抛载机构。
所述的航向控制算法模块采用模糊控制，通过调节扑翼和横滚机构控制航向；路径规划算法模块采用A*算法进行航行器的路径规划；安全保障程序模块包括超时最大浮力、超时抛载、超深最大浮力、超深抛载，具体来说，当航行器工作时间超过规定的超时最大浮力的时间值时，将浮力调节到最大，当航行器工作时间超过规定的超时抛载的时间值时，执行抛载指令使航行器上浮至水面；当航行器下潜深度超过规定的超深最大浮力的深度值时，将浮力调节到最大，当航行器下潜深度超过规定的超深抛载的深度值时，执行抛载指令使航行器上浮至水面。
所述的周期滑翔包括单周期滑翔和多周期滑翔，具体为根据上位机下发的任务参数执行周期滑翔任务；滑扑一体即为滑翔推进与扑翼推进结合执行航行任务；路径规划即为根据设定的航路点规划最优路径进行航行；安全保障即为当检测到从安全保障系统传来的紧急信号执行增大浮力到最大或者抛载使航行器上浮至水面。
有益效果
本发明提出的一种用于仿生柔体潜水器的控制系统，有益效果如下：把航行器这样一个多传感器实时采集、多任务调度、多功能复杂化的系统划分为若干各结构简单功能单一的程序模块，便于程序的设计、调试和移植，也有利于程序的优化和分工。同时具有复用性强特点，仅需知道该部分所实现的功能及接口，即可将其复用。
附图说明
图1为根据本发明仿生柔体潜水器的控制系统体系结构图。
图2为根据本发明仿生柔体潜水器控制系统的驱动控制与外设操作模块框图。
图3为根据本发明仿生柔体潜水器控制系统的任务通讯模块框图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明的控制系统采用模块化结构，使得控制系统中的每个功能模块都可以单独设计，修改简单，并且方便移植到其他航行器上使用。该控制系统体系结构集成了驱动控制模块、外设操作模块和任务通讯模块三大模块。
第一大模块为驱动控制模块，驱动控制模块分为底层驱动模块和控制算法模块。底层驱动模块由主控制器和针对主控制器上外设的驱动构成，主控制器与外设之间的驱动方式即通信方式包括USART，IIC，RS232，CAN通信。控制算法模块包括航向控制算法模块，路径规划算法模块，安全保障程序模块。
第二大模块为外设操作模块，由驱动控制模块发送指令驱动各个外设，包括姿态传感器(SBG)、铱星/GPS模块、数据存储模块、数传电台、油缸测距传感器、俯仰测距传感器、压力传感器、角度传感器、俯仰电机、横滚电机、液压站电机、四个扑翼舵机以及抛载机构。具体地说，对这些外设的初始化、参数设置、数据采集与传送。在调试过程中，发现某个外设不满足实验要求，更换新的外设不会影响其他模块，确定好通信方式修改驱动程序即可正常使用。
第三大模块为任务通讯模块，任务通讯模块分为任务模块和通讯模块。任务模块分为周期滑翔、滑扑一体、路径规划、安全保障四部分。通讯模块分为Wifi通讯、铱星/GPS通讯，数传电台通讯。任务通讯模块与驱动控制模块建立通讯连接，发送具体任务参数到驱动控制模块，经过驱动控制模块解算分析后，通过设定好的通信协议驱动外设操作模块工作以完成任务。
航行器的水下作业由驱动控制模块、外设操作模块和任务通讯模块三大模块协调控制，各模块之间基于确定的通信协议进行通信。
图1为根据本发明仿生柔体潜水器的控制系统体系结构图。该控制系统体系结构集成了驱动控制模块、外设操作模块和任务通讯模块三大模块。驱动控制模块1与外设操作模块2位于仿生柔体潜水器的舱体的中部舱段，任务通讯模块3指PC机上的上位机软件。各模块之间基于确定的通信协议进行通信。
图2为根据本发明仿生柔体潜水器控制系统的驱动控制与外设操作模块框图。
外设操作模块由驱动控制模块发送指令驱动各个外设，包括姿态传感器(SBG)、铱星/GPS模块、数据存储模块、数传电台、油缸测距传感器、俯仰测距传感器、压力传感器、角度传感器、俯仰电机、横滚电机、液压站电机、四个扑翼舵机以及抛载机构。具体地说，对这些外设的初始化、参数设置、数据采集与传送。在调试过程中，发现某个外设不满足实验要求，更换新的外设不会影响其他模块，确定好通信方式修改驱动程序即可正常使用。
驱动控制模块分为底层驱动模块和控制算法模块。底层驱动模块由主控制器和针对主控制器上外设的驱动构成，主控制器采用基于ARM Cortex-M3的32位微控制器STM32F103ZET6，LQFP封装，144管脚，一系列的省电模式，具有待机唤醒功能，保证低功耗要求、高可靠性、小体积、宽温工作的特点。主控制器与外设之间的驱动方式即通信方式包括USART，IIC，RS232，CAN通信。主控制器通过RS232与姿态传感器(SBG)通信，获取航行器当前的横滚角，俯仰角，航向角信息；铱星/GPS模块和数据存储模块都通过USART2与主控制器通信，采用分时工作的方式，铱星/GPS模块工作时，获取GPS数据信息以及透传数据，数据存储模块工作时，实时向数据存储模块存储数据以及从存储模块读取数据；主控制器通过USART3与数传电台通信，获取上位机下发的任务指令以及向数传电台发送各个传感器的数据；主控制器通过USART4与油缸测距传感器通信，获取浮力仓活塞移动的距离从而计算当前浮力；主控制器通过USART5与俯仰测距传感器通信，获取质心机构铅块移动的距离；主控制器通过IIC总线与压力传感器和角度传感器通信，从压力传感器获取压力值计算得到当前水深，角度传感器输出横滚机构的角度；主控制器通过CAN总线控制四个扑翼舵机驱动电路从而驱动舵机运动；主控制器通过I/O控制俯仰电机驱动电路、横滚电机驱动电路从而驱动俯仰电机、横滚电机运动；主控制器通过DAC控制液压电机驱动电路从而驱动液压电机运动；主控制器通过I/O控制抛载机构。控制算法模块包括航向控制算法模块，路径规划算法模块，安全保障程序模块。航向控制算法模块采用模糊控制，通过调节扑翼和横滚机构控制航向；路径规划算法模块采用A*算法进行航行器的路径规划；安全保障程序模块包括超时最大浮力、超时抛载、超深最大浮力、超深抛载，具体来说，当航行器工作时间超过规定的超时最大浮力的时间值时，将浮力调节到最大，当航行器工作时间超过规定的超时抛载的时间值时，执行抛载指令使航行器上浮至水面；当航行器下潜深度超过规定的超深最大浮力的深度值时，将浮力调节到最大，当航行器下潜深度超过规定的超深抛载的深度值时，执行抛载指令使航行器上浮至水面。
图3为根据本发明仿生柔体潜水器控制系统的任务通讯模块框图。任务通讯模块的工作平台为PC机，使用编写的上位机软件与驱动控制模块进行通信。任务通讯模块分为任务模块和通讯模块。
任务模块分为周期滑翔、滑扑一体、路径规划、安全保障四部分。周期滑翔包括单周期滑翔和多周期滑翔，具体为根据上位机下发的任务参数执行周期滑翔任务；滑扑一体即为滑翔推进与扑翼推进结合执行航行任务；路径规划即为根据设定的航路点规划最优路径进行航行；安全保障即为当检测到从安全保障系统传来的紧急信号执行增大浮力到最大或者抛载使航行器上浮至水面。
通讯模块分为Wifi通讯、铱星/GPS通讯，数传电台通讯。WiFi通讯具体为配置驱动控制模块的WiFi连接到PC机的WiFi以进行通讯。WiFi通讯的优点是局域网部署无需使用电线，降低部署和扩充的成本，但其也具有通讯距离有限，稳定性差，功耗较大的缺点。数传电台通讯是使用两个数传电台经过配置，一个通过USB与上位机连接，另一个安装在电路板上通过USART3与主控制器进行通信，两个数传电台使用天线保证数据的发送和接收。数传电台通讯具有工作稳定、功耗低的优点，但其传输距离较近。铱星/GPS通讯是与上位机连接的铱星/GPS模块将指令或数据发送到卫星，卫星再发送到航行器上的铱星终端。铱星/GPS通讯具有通讯距离远、信号稳定的特点，但对比于另外两种通讯方式成本较大。
通讯模块设置多种通讯方式，可根据不同的工作环境及需求来选择不同的通讯方式，在实验室内采用Wifi通讯、电台通讯，成本低，工作稳定；在室外实验时切换为电台通讯模式，功率低；在海上实验时因环境与距离问题，选择铱星/GPS通讯，保证与底层驱动模块的通讯稳定。同时，若要更换驱动控制模块，只需保证通信协议一致，即可配套不同的驱动控制模块，移植性很强。
Claims (4)
1.一种用于仿生柔体潜水器的控制系统，其特征在于包括驱动控制模块、外设操作模块和任务通讯模块，驱动控制模块与外设操作模块位于仿生柔体潜水器的舱体的中部舱段，任务通讯模块指PC机上的上位机软件；各模块之间基于确定的通信协议进行通信；所述的驱动控制模块包括底层驱动模块和控制算法模块，底层驱动模块由主控制器和针对主控制器上外设的驱动构成，主控制器与外设之间的驱动方式即通信方式包括USART，IIC，RS232，CAN通信；控制算法模块包括航向控制算法模块、路径规划算法模块、安全保障程序模块；由驱动控制模块发送指令驱动各个外设：姿态传感器SBG、铱星/GPS模块、数据存储模块、数传电台、油缸测距传感器、俯仰测距传感器、压力传感器、角度传感器、俯仰电机、横滚电机、液压站电机、四个扑翼舵机以及抛载机构；外设操作模块对这些外设的初始化、参数设置、数据采集与传送；所述的任务通讯模块分为任务模块和通讯模块，任务模块分为周期滑翔、滑扑一体、路径规划、安全保障四部分；通讯模块分为Wifi通讯、铱星/GPS通讯、数传电台通讯；任务通讯模块与驱动控制模块建立通讯连接，发送具体任务参数到驱动控制模块，经过驱动控制模块解算分析后，通过设定好的通信协议驱动外设操作模块工作以完成任务。
2.根据权利要求1所述的一种用于仿生柔体潜水器的控制系统，其特征在于所述的主控制器通过RS232与姿态传感器SBG通信，获取航行器当前的横滚角、俯仰角、航向角信息；铱星/GPS模块和数据存储模块都通过USART2与主控制器通信，采用分时工作的方式，铱星/GPS模块工作时，获取GPS数据信息以及透传数据，数据存储模块工作时，实时向数据存储模块存储数据以及从存储模块读取数据；主控制器通过USART3与数传电台通信，获取上位机下发的任务指令以及向数传电台发送各个传感器的数据；主控制器通过USART4与油缸测距传感器通信，获取浮力仓活塞移动的距离从而计算当前浮力；主控制器通过USART5与俯仰测距传感器通信，获取质心机构铅块移动的距离；主控制器通过IIC总线与压力传感器和角度传感器通信，从压力传感器获取压力值计算得到当前水深，角度传感器输出横滚机构的角度；主控制器通过CAN总线控制四个扑翼舵机驱动电路从而驱动舵机运动；主控制器通过I/O控制俯仰电机驱动电路、横滚电机驱动电路从而驱动俯仰电机、横滚电机运动；主控制器通过DAC控制液压电机驱动电路从而驱动液压电机运动；主控制器通过I/O控制抛载机构。
3.根据权利要求1所述的一种用于仿生柔体潜水器的控制系统，其特征在于所述的航向控制算法模块采用模糊控制，通过调节扑翼和横滚机构控制航向；路径规划算法模块采用A*算法进行航行器的路径规划；安全保障程序模块包括超时最大浮力、超时抛载、超深最大浮力、超深抛载，具体来说，当航行器工作时间超过规定的超时最大浮力的时间值时，将浮力调节到最大，当航行器工作时间超过规定的超时抛载的时间值时，执行抛载指令使航行器上浮至水面；当航行器下潜深度超过规定的超深最大浮力的深度值时，将浮力调节到最大，当航行器下潜深度超过规定的超深抛载的深度值时，执行抛载指令使航行器上浮至水面。
4.根据权利要求1所述的一种用于仿生柔体潜水器的控制系统，其特征在于所述的周期滑翔包括单周期滑翔和多周期滑翔，具体为根据上位机下发的任务参数执行周期滑翔任务；滑扑一体即为滑翔推进与扑翼推进结合执行航行任务；路径规划即为根据设定的航路点规划最优路径进行航行；安全保障即为当检测到从安全保障系统传来的紧急信号执行增大浮力到最大或者抛载使航行器上浮至水面。
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