CN111966013A - 一种流体驱动双航态海洋无人航行器的控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种流体驱动双航态海洋无人航行器的控制系统及方法，通过岸站(母船)下达任务指令，使航行器实现构型变化以及在水面与水下两种工作模式中借助自然环境中的气流或水流的长距离航行。在水面航行状态中，本发明所述控制系统及方法通过对风帆、尾舵等单元的控制实现气流驱动航行；在水下航行状态中，本发明所述控制系统及方法通过对航行器浮力以及航姿的控制实现水流驱动滑翔航行；所述控制系统及方法还可根据控制指令实施航态切换并实施航态切换过程控制。
Description
技术领域
本发明涉及海洋航行器控制技术领域，具体地，涉及一种流体驱动双航态海洋无人航行器的控制系统及方法。
背景技术
针对海气界面、边界流等高时空变率的海洋现象，对特定海域进行水面、水下多维度观测已成为当今海洋研究中的热点。目前国内外的海洋无人移动观测平台，如Argo、Glider、AUV等，多采用单模式工作方式，仅能在水面或水下进行观测工作，无法满足对海洋水面、水下多域立体的观测需求。流体驱动双航态海洋无人航行器是一种新型的海洋无人移动观测平台，采用变构型方式在水面与水下两种工作模式中借助自然环境中的气流或水流均具备长距离航行能力。此航行器控制系统需要执行水面、水下以及模式切换三种工作模式的独立控制，以控制风帆转角获取最大风气流推力，控制航行姿态借助水流滑翔运动，控制液压单元实现构型变换与模式切换，此外对航行器的航向、浮性状态、电源、通讯、数据采集存储等实施控制与监管。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种流体驱动双航态海洋无人航行器的控制系统及方法，在水面航行状态中通过对风帆、尾舵等单元的控制实现气流驱动航行；在水下航行状态中通过对航行器浮力以及航姿的控制实现水流驱动滑翔航行。所述控制系统及方法还可根据控制指令实施航态切换并实施航态切换过程控制。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种流体驱动双航态海洋无人航行器的控制系统，所述控制系统包括液压控制器、风帆控制器、切换控制器、应急控制器和导航通讯控制器，各控制器由中央控制盒进行统一控制及管理；所述中央控制盒在物理上划分为CPU板和POWER板两个模块；所述中央控制盒由24V DC外部电池供电，供电线经舱壁开关接入POWER板，POWER板通过内部设置的DC-DC变压模块进行电压变换得到有12V DC和6V DC，6V DC用于为外部备用设备供电；12V DC用于为执行器和传感器供电；控制系统通过若干个I/O端口控制24V固态继电器为24V DC执行器供电；
所述CPU板上布置有嵌入式微处理器、数字电路和模拟电路，所述CPU板通过DC-DC变压模块将POW板的6V DC变换得到3.3V DC为数字电路供电；CPU板通过DC-DC变压模块将POW板的6V DC变换得到5V DC为CPU板内集成的传感器及模拟电路供电；CPU板通过流保护模块和DC-DC变压模块输出5V DC为外部5V DC传感器供电。
进一步的，控制系统基于ARM CortexTM-M3内核的STM32F1系列32位嵌入式微处理器设计，具有9路全双工串行数字通讯接口、8路通过SPI总线扩展的16位A/D通道以及14路24V固态继电器；在数据存储方面控制系统采用Nor Flash+Nand Flash形式，用Nor Flash存储控制参数和规划航线，用Nand Flash存储任务数据，Nor Flash和Nand Flash均采用双余度方案，两个余度同时存储备份；Nor Flash采用2片16Mbits的工业级芯片，Nand Flash采用2片4GByte的工业级芯片，为任务数据存储预留空间。
进一步的，所述液压控制器通过若干个I/O端口分别对执行器液压泵、回油阀、排油阀、切换阀、举帆阀、降帆阀进行通断控制，通过1路模拟量采样接口接收液位计的测量信息；
所述风帆控制器由2路RS232串口分别接收风向传感器、风速传感器的采集信息，通过模拟量A/D采样接口接收转帆角度传感器测量信息；风帆控制器通过I/O端口实施转帆角调控电机的转动控制；
所述切换控制器通过2路数字通讯接口分别检测上部水位探头与下部水位探头反馈的电平值变化，通过两个I/O端口分别对进水水泵与排水水泵进行通断控制；
所述应急控制器由3路模拟量A/D采样接口分别接收来自真空度传感器、电压检测传感器、电流检测传感器的测量信号，由1路数字通讯接口接收来自漏水检测传感器的电位信号，通过I/O端口实施执行器抛载重物的通断控制；
所述导航通讯控制器由4路RS232串口分别与无线通讯模块、卫星通讯模块、电子罗盘、尾舵进行双向信息交换，由2路模拟量A/D采样接口接收深度计与俯仰调控位移传感器的测量信号，通过I/O端口实施俯仰姿态调控电机的转动控制，通过三个I/O端口分别对尾舵、无线通讯模块、卫星通讯模块进行通断控制。
进一步的，所述应急控制器通过真空度传感器、漏水检测传感器、电压检测传感器、电流检测传感器对控制系统状态进行实时检测，并对电源电量不足、工作超时、下潜超深、密封舱漏水、通讯异常、供电故障非正常运行状态做出反应：当控制系统判断发生非正常运行状态时，所述应急控制器激活抛载执行器将抛载重物抛离航行器，使航行器在应急情况下获得正浮力而脱险。
本发明还提供一种流体驱动双航态海洋无人航行器的控制方法，包括以下内容：
当航行器处于水下航行模式，通过控制系统的液压控制器调节航行器自身浮力，通过导航通讯控制器调节航行姿态，利用运动迎面水流施加的水动力实现升沉运动与水平行进，以锯齿形轨迹在水下滑翔航行；
当航行器处于航行切换模式，通过控制系统的液压控制器完成风帆、翼龙骨的位姿变换，通过切换控制器调节航行器储备浮力量，满足水面、水下两种航行模式对航行器浮性的要求；所述航行切换模式包括航行器由水下向水面切换模式和航行器由水面向水下切换模式；
当航行器处于水面航行模式，通过控制系统的风帆控制器调控风帆始终处于最佳转帆角位置，最大效率地利用海洋风施加的气动力驱动航行器在水面航行。
进一步的，在水下航行模式下具体包括以下步骤：
步骤A1：岸站(母船)发送的水下航行模式任务指令由航行器的导航通讯控制器接收后，航行器控制系统激活液压控制器进入回油阶段，所述液压控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口对液压泵及回油阀上电，回油阀打开、液压泵启动将油液由外油囊吸入内油箱，液位计通过模拟信号将内部油箱内油量实时反馈至液压控制器，当内油箱油量达到回油设定值后液压控制器关闭回油阀、液压泵，此时航行器自身重力大于所受浮力并开始下潜，回油阶段结束；
步骤A2：控制系统激活导航通讯控制器进入下潜滑翔阶段，导航通讯控制器通过电子罗盘获得航行器俯仰角β与航向角α，若测得航行俯仰角β与目标俯仰角β’偏差超过10°，则导航通讯控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口对俯仰姿态调控电机上电，开启俯仰姿态调控电机通过移动俯仰调节重块位置以改变航行器俯仰角度，若俯仰角与设定角度偏差小于5°，则关闭俯仰姿态调控电机；姿态调节期间，俯仰调控位移传感器通过模拟信号将调节重块位置反馈回导航通讯控制器，实现俯仰姿态调控电机的半闭环控制；若测得航行器航向与设定航向偏差超过10°，则导航通讯控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口对尾舵上电，开启舵机通过改变方向舵角度以利用水流施加的水动侧向力改变航向，若航行器航向与设定航向偏差小于5°，则导航通讯控制器控制舵机回归零位并关闭舵机；下潜滑翔阶段中，深度计测量当前水下深度值并通过模拟信号通道反馈至导航通讯控制器，当深度到达设定下潜深度时下潜滑翔阶段结束；
步骤A3：控制系统激活液压控制器进入排油阶段，经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口对液压泵及排油阀上电，排油阀打开、液压泵启动将油液由内油箱推入外油囊，液位计通过模拟信号将内部油箱内油量实时反馈至液压控制器，当内油箱油量达到排油设定值后液压控制器关闭排油阀、液压泵，此时航行器所受浮力大于自身重力并开始上浮，排油阶段结束；
步骤A4：控制系统激活导航通讯控制器进入上浮滑翔阶段，导航通讯控制器通过罗盘获得航行器当前姿态与航向信息，若测得俯仰角与设定角度偏差超过10°，则导航通讯控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口对俯仰姿态调控电机上电，开启俯仰姿态调控电机通过移动俯仰调节重块位置以改变航行器俯仰角度，若俯仰角与设定角度偏差小于5°，则关闭俯仰姿态调控电机；姿态调节期间，俯仰调控位移传感器通过模拟信号将调节重块位置反馈回导航通讯控制器，实现俯仰姿态调控电机的半闭环控制；若测得航行器航向与设定航向偏差超过10°，则导航通讯控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口对尾舵上电，开启舵机通过改变方向舵角度以利用水流施加的水动侧向力改变航向，若航行器航向与设定航向偏差小于5°，则导航通讯控制器控制舵机回归零位并关闭舵机；上浮滑翔阶段中，深度计测量当前深度信息并通过模拟信号反馈至导航通讯控制器，当判定航行器上浮至水面后上浮滑翔阶段结束；
步骤A5：控制系统激活导航通讯控制器进入水面通讯阶段，导航通讯控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口分别对无线通讯模块和卫星通讯模块上电，与岸站(母船)建立数据通信链路；导航通讯控制器通过RS232串口，将航行器GPS位置信息、航行器状态数据经由无线通讯模块或卫星通讯模块回转至岸站(母船)，并接收岸站(母船)发送的任务指令。
进一步的，航行器由水下向水面切换模式中具体包括以下步骤：
步骤B1：岸站(母船)发送的水下-水面切换任务指令由航行器的导航通讯控制器接收后，控制系统激活切换控制器进入水箱排水阶段，切换控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口对排水水泵上电，排水水泵启动将水箱中的水向外排出；当水箱水位低于下部水位探头时，下部水位探头检测到电位变化并通过数字通讯接口反馈至切换控制器，切换控制器关闭排水水泵，水箱排水阶段结束；
步骤B2：控制系统激活液压控制器进入风帆起升阶段，液压控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口分别对切换阀、举帆阀、液压泵上电，切换阀和举帆阀打开、液压泵启动将油液推入液压缸驱动风帆起升；油路压力传感器通过模拟信号将油压实时反馈至液压控制器，当反馈油压压力超出设定油压值后，表明风帆已处于竖直位姿，液压控制器关闭切换阀、举帆阀、液压泵，风帆起升阶段结束；
步骤B3：控制系统激活导航通讯控制器进入水面通讯阶段，导航通讯控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口分别对无线通讯模块和卫星通讯模块上电，与岸站(母船)建立数据通信链路；导航通讯控制器通过RS232串口，将航行器GPS位置信息、航行器状态数据经由无线通讯模块或卫星通讯模块回转至岸站(母船)，并接收岸站(母船)发送的任务指令。
进一步的，航行器由水面向水下切换模式中具体包括以下步骤：
步骤C1：岸站(母船)发送的水面-水下切换任务指令由航行器的导航通讯控制器接收后，控制系统激活风帆控制器进入风帆转角归零阶段，转帆角度传感器将当前风帆转向角度模拟量反馈至风帆控制器，风帆控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口对转帆角调控电机上电，转帆角度传感器通过模拟信号将风帆转向角反馈回风帆控制器，实现转帆角调控电机的半闭环控制；风帆转至零位后风帆转角归零阶段结束；
步骤C2：控制系统激活液压控制器进入风帆回收阶段，液压控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口分别对切换阀、降帆阀、液压泵上电，液压泵启动将油液推入液压缸驱动风帆回收；油路压力传感器通过模拟信号通道将油压实时反馈至液压控制器，当反馈油压压力到达设定油压值后，表明风帆已处于水平回收位姿，液压控制器关闭切换阀、降帆阀、液压泵，风帆回收阶段结束；
步骤C3：控制系统激活切换控制器进入水箱注水阶段，切换控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口对注水水泵上电，注水水泵启动将外部水注入水箱内；当水箱水位高于上部水位探头时，上部水位探头检测到电位变化并通过数字通讯接口反馈至切换控制器，切换控制器关闭注水水泵，水箱注水阶段结束；
步骤C4：控制系统激活导航通讯控制器进入水面通讯阶段，导航通讯控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口分别对无线通讯模块和卫星通讯模块上电，与岸站(母船)建立数据通信链路；导航通讯控制器通过RS232串口，将航行器GPS位置信息、航行器状态数据经由无线通讯模块或卫星通讯模块回转至岸站(母船)，并接收岸站(母船)发送的任务指令。
进一步的，在水面航行模式下具体包括以下步骤：
步骤D1：岸站(母船)向航行器控制系统发送水面工作模式指令与目标航点位置；控制系统激活导航通讯控制器，通过卫星通讯模块内置GPS确定当前航行器位置，其与目标位置连线即为目标航向；
步骤D2：航向数据刷新后，控制系统激活风帆控制器，风帆控制器经I/O端口导通DC-DC变压模块对风向传感器上电，风向传感器以10s为刷新周期测得当前风向与目标航向的夹角，即相对风向角θ，并通过RS232串口反馈至控制系统，由控制系统计算风帆最佳转帆角角度后，风帆控制器控制转帆角调控电机启动使风帆旋转至最佳转帆角位置，转帆角度传感器将当前风帆转向角度模拟量反馈至风帆控制器以形成半闭环控制；
导航通讯控制器通过电子罗盘获得当前航行器的船艏方向与目标航向的夹角，即航向偏角Φ，若航向偏角Φ超过20°，则导航通讯控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口对尾舵上电，开启舵机通过改变尾舵角度以利用水流施加的水动侧向力改变航向，若航行器航向与设定航向偏差小于10°，则导航通讯控制器控制舵机回归零位并关闭舵机；航向数据的刷新周期设定为30s；
步骤D3：若通过岸站(母船)关闭水面航行模式则判定水面航行模式结束，控制系统激活风帆控制器进入风帆转角归零阶段，转帆角度传感器将当前风帆转向角度模拟量反馈至风帆控制器，风帆控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口对转帆角调控电机上电，转帆角度传感器通过模拟信号通道将风帆转向角反馈回风帆控制器，实现转帆角调控电机的半闭环控制；风帆转至零位后风帆转角归零阶段结束；
步骤D4：控制系统激活导航通讯控制器进入水面姿态保持阶段，导航通讯控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口分别对无线通讯模块和卫星通讯模块上电，与岸站(母船)建立数据通信链路；导航通讯控制器通过RS232串口，将航行器GPS位置信息、航行器状态数据经由无线通讯模块或卫星通讯模块回转至岸站(母船)，并接收岸站(母船)发送的下一步指令。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明控制系统可执行航行器水面、水下两种工作模式的控制以及工作模式切换的控制，可根据岸站指令执行相应航行工作模式的流程控制。当航行器在水面航行状态中，通过对风帆、尾舵等单元的控制实现气流驱动航行；当航行器在水下航行状态中，通过对航行器浮力以及航姿的控制能够实现航行器水流驱动滑翔航行；实现航态切换并实现航态切换过程控制。
2.各控制器在各工作模式下的控制流程相互独立，各控制模式需由岸站指令切换，控制稳定性与安全性高；具备应急保护控制能力，提高了航行器在非正常运行状态下的生存能力。
3.本发明采用高效的风帆控制规则，实现了最佳转帆角的智能操控及航向保持，使航行器在水面航行状态下具有良好的风能推进能力。
附图说明
图1是本发明所述控制系统的供电构架示意图；
图2是本发明所述控制系统的控制接口构架示意图；
图3是本发明所述控制系统的控制流程图。
图4是本发明水面航向模式下风帆转角控制示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的目的是提出一种流体驱动双航态海洋无人航行器的控制系统及方法，在水面航行状态中通过对风帆、尾舵等单元的控制实现气流驱动航行；在水下航行状态中通过对航行器浮力以及航姿的控制实现水流驱动滑翔航行。所述控制系统及方法还可根据控制指令实施航态切换并实施航态切换过程控制。
如图1和图2所示，本发明控制系统内含多部子控制器，按事先编排的程序发出控制脉冲以控制各单元自动协调工作，包括：液压控制器15、风帆控制器16、切换控制器17、应急控制器18、导航通讯控制器19。
本发明控制系统的中央控制盒在物理上划分为CPU板和POWER板两个模块。嵌入式微处理器、数字电路、模拟电路布置在CPU板上，CPU板和POWER板通过内部DC-DC模块进行二次电压变换得到DC 12V、DC 6V、DC 5V、DC 3.3V。
中央控制盒由24V DC外部电池1供电，供电线经舱壁开关2接入POWER板，经DC-DC变压模块4输出6V DC并由I/O端口7通断控制DC-DC变压模块4导通，为外部备用设备供电；经DC-DC变压模块5输出12V DC，由I/O端口8通断控制DC-DC变压模块5导通，为12V DC执行器与传感器供电；控制系统由I/O端口9通断控制24V固态继电器6a-6n导通，为24V DC执行器供电。所述CPU板由POW板DC-DC变压模块3接入6V DC供电电压，经DC-DC变压模块10，输出3.3V DC为数字电路供电；经DC-DC变压模块11，输出5V DC为CPU板内集成的传感器及模拟电路供电；经过流保护模块12接入DC-DC变压模块13，输出5V DC为外部5V DC传感器供电。
如图2所示，本发明所述控制系统基于ARM CortexTM-M3内核的STM32F1系列32位嵌入式微处理器14设计，具有9路全双工串行数字通讯接口、8路通过SPI总线扩展的16位A/D通道以及14路24V固态继电器6a-6n。在数据存储方面，本发明控制系统采用Nor Flash+Nand Flash形式，用Nor Flash存储控制参数、规划航线等，用Nand Flash存储任务数据，Nor Flash和Nand Flash均采用双余度方案，两个余度同时存储备份。Nor Flash采用2片16Mbits的工业级芯片，Nand Flash采用2片4GByte的工业级芯片，为任务数据存储预留了充足空间。
液压控制器15通过I/O端口9c、9d、9e、9f、9i、9m分别对执行器液压泵、回油阀、排油阀、切换阀、举帆阀、降帆阀进行通断控制，通过1路模拟量采样接口接收液位计的测量信息；
风帆控制器16由2路RS232串行通信接口分别接收风向传感器、风速传感器的采集信息，模拟量A/D采样接口接收转帆角度传感器测量信息。风帆控制器16通过I/O端口9n实施转帆角调控电机的转动控制；
切换控制器17通过2路数字通讯接口分别检测上部水位探头与下部水位探头反馈的电平值变化，通过I/O端口9g、9h分别对进水水泵与排水水泵进行通断控制；
应急控制器18由3路模拟量A/D采样接口分别接收来自真空度传感器、电压检测传感器、电流检测传感器的测量信号，由1路数字通讯接口接收来自漏水检测传感器的电位信号，通过I/O端口9l实施执行器抛载重物的通断控制；
导航通讯控制器19由4路RS232电平串口通信接口分别与无线通讯模块、卫星通讯模块、电子罗盘、尾舵进行双向信息交换，由2路模拟量A/D采样接口接收深度计与俯仰调控位移传感器的测量信号，通过I/O端口9b实施俯仰姿态调控电机的转动控制，通过I/O端口9a、9j、9k分别对尾舵、无线通讯模块、卫星通讯模块进行通断控制。
如图3所示，本发明提出一种流体驱动双航态海洋无人航行器的控制方法，包括以下控制策略：
策略1：航行器处于水下航行模式，通过控制系统的液压控制器15调节航行器自身浮力，通过导航通讯控制器19调节航行姿态，利用运动迎面水流施加的水动力实现升沉运动与水平行进，以锯齿形轨迹在水下滑翔航行。
策略2：航行器处于航行切换模式，通过控制系统的液压控制器15完成风帆、翼龙骨的位姿变换，通过切换控制器17调节航行器储备浮力量，满足水面、水下两种航行模式对航行器浮性的要求。
策略3：航行器处于水面航行模式，通过控制系统的风帆控制器16调控风帆始终处于最佳转帆角位置，最大效率地利用海洋风施加的气动力驱动航行器在水面航行。
在水下航行模式下的控制策略包括以下步骤：
步骤A1：岸站(母船)发送的水下航行模式任务指令由航行器的导航通讯控制器19接收后，航行器控制系统激活液压控制器15进入回油阶段，所述液压控制器15经I/O端口9导通24V固态继电器6c、6d，通过I/O端口9c、9d对液压泵及回油阀上电，回油阀打开、液压泵启动将油液由外油囊吸入内油箱，液位计通过模拟信号将内部油箱内油量实时反馈至液压控制器，当内油箱油量达到回油设定值后液压控制器15关闭回油阀、液压泵，此时航行器自身重力大于所受浮力并开始下潜，回油阶段结束。
步骤A2：控制系统激活导航通讯控制器19进入下潜滑翔阶段，导航通讯控制器19通过电子罗盘获得航行器俯仰角β与航向角α，若测得航行俯仰角β与目标俯仰角β’偏差超过10°，则导航通讯控制器19经I/O端口9导通24V固态继电器6b，通过I/O端口9b对俯仰姿态调控电机上电，开启俯仰姿态调控电机通过移动俯仰调节重块位置以改变航行器俯仰角度，若俯仰角与设定角度偏差小于5°，则关闭俯仰姿态调控电机；姿态调节期间，俯仰调控位移传感器通过模拟信号将调节重块位置反馈回导航通讯控制器19，实现俯仰姿态调控电机的半闭环控制。若测得航行器航向与设定航向偏差超过10°，则导航通讯控制器19经I/O端口9导通24V固态继电器6a，通过I/O端口9a对尾舵上电，开启舵机通过改变方向舵角度以利用水流施加的水动侧向力改变航向，若航行器航向与设定航向偏差小于5°，则导航通讯控制器19控制舵机回归零位并关闭舵机。下潜滑翔阶段中，深度计测量当前水下深度值并通过模拟信号通道反馈至导航通讯控制器19，当深度到达设定下潜深度时下潜滑翔阶段结束。
步骤A3：控制系统激活液压控制器15进入排油阶段，经I/O端口9导通24V固态继电器6c、6e，通过I/O端口9c、9e对液压泵及排油阀上电，排油阀打开、液压泵启动将油液由内油箱推入外油囊，液位计通过模拟信号将内部油箱内油量实时反馈至液压控制器15，当内油箱油量达到排油设定值后液压控制器15关闭排油阀、液压泵，此时航行器所受浮力大于自身重力并开始上浮，排油阶段结束。
步骤A4：控制系统激活导航通讯控制器19进入上浮滑翔阶段，导航通讯控制器19通过罗盘获得航行器当前姿态与航向信息，若测得俯仰角与设定角度偏差超过10°，则导航通讯控制器19经I/O端口9导通24V固态继电器6b，通过I/O端口9b对俯仰姿态调控电机上电，开启俯仰姿态调控电机通过移动俯仰调节重块位置以改变航行器俯仰角度，若俯仰角与设定角度偏差小于5°，则关闭俯仰姿态调控电机；姿态调节期间，俯仰调控位移传感器通过模拟信号将调节重块位置反馈回导航通讯控制器19，实现俯仰姿态调控电机的半闭环控制。若测得航行器航向与设定航向偏差超过10°，则导航通讯控制器19经I/O端口9导通24V固态继电器6a，通过I/O端口9a对尾舵上电，开启舵机通过改变方向舵角度以利用水流施加的水动侧向力改变航向，若航行器航向与设定航向偏差小于5°，则导航通讯控制器19控制舵机回归零位并关闭舵机。上浮滑翔阶段中，深度计测量当前深度信息并通过模拟信号反馈至导航通讯控制器19，当判定航行器上浮至水面后上浮滑翔阶段结束。
步骤A5：控制系统激活导航通讯控制器19进入水面通讯阶段，导航通讯控制器19经I/O端口9导通24V固态继电器6j、6k，通过I/O端口9j、9k分别对无线通讯模块和卫星通讯模块上电，与岸站(母船)建立数据通信链路。导航通讯控制器19通过RS232串口，将航行器GPS位置信息、航行器状态数据经由无线通讯模块或卫星通讯模块回转至岸站(母船)，并接收岸站(母船)发送的任务指令。
航行切换模式的控制策略由水下→水面切换策略与水面→水下切换策略两部分组成，其中水下→水面控制策略包括以下步骤：
步骤B1：岸站(母船)发送的水下-水面切换任务指令由航行器的导航通讯控制器19接收后，控制系统激活切换控制器17进入水箱排水阶段，切换控制器17经I/O端口9导通24V固态继电器6h，通过I/O端口9h对排水水泵上电，排水水泵启动将水箱中的水向外排出。当水箱水位低于下部水位探头时，下部水位探头检测到电位变化并通过数字通讯接口反馈至切换控制器17，切换控制器17关闭排水水泵，水箱排水阶段结束。
步骤B2：控制系统激活液压控制器15进入风帆起升阶段，液压控制器15经I/O端口9导通24V固态继电器6f、6i、6c，通过I/O端口9f、9i、9c分别对切换阀、举帆阀、液压泵上电，切换阀和举帆阀打开、液压泵启动将油液推入液压缸驱动风帆起升；油路压力传感器通过模拟信号将油压实时反馈至液压控制器15，当反馈油压压力超出设定油压值后，表明风帆已处于竖直位姿，液压控制器15关闭切换阀、举帆阀、液压泵，风帆起升阶段结束。
步骤B3：控制系统激活导航通讯控制器19进入水面通讯阶段，导航通讯控制器19经I/O端口9导通24V固态继电器6j、6k，通过I/O端口9j、9k分别对无线通讯模块和卫星通讯模块上电，与岸站(母船)建立数据通信链路。导航通讯控制器19通过RS232串口，将航行器GPS位置信息、航行器状态数据经由无线通讯模块或卫星通讯模块回转至岸站(母船)，并接收岸站(母船)发送的任务指令。
水面→水下控制策略包括以下步骤：
步骤C1：岸站(母船)发送的水面-水下切换任务指令由航行器的导航通讯控制器19接收后，控制系统激活风帆控制器16进入风帆转角归零阶段，转帆角度传感器将当前风帆转向角度模拟量反馈至风帆控制器16，风帆控制器16经I/O端口9导通24V固态继电器6n，通过I/O端口9n对转帆角调控电机上电，转帆角度传感器通过模拟信号将风帆转向角反馈回风帆控制器16，实现转帆角调控电机的半闭环控制。风帆转至零位后风帆转角归零阶段结束。
步骤C2：控制系统激活液压控制器15进入风帆回收阶段，液压控制器15经I/O端口9导通24V固态继电器6f、6m、6c，通过I/O端口9f、9m、9c分别对切换阀、降帆阀、液压泵上电，液压泵启动将油液推入液压缸驱动风帆回收；油路压力传感器通过模拟信号通道将油压实时反馈至液压控制器15，当反馈油压压力到达设定油压值后，表明风帆已处于水平回收位姿，液压控制器15关闭切换阀、降帆阀、液压泵，风帆回收阶段结束。
步骤C3：控制系统激活切换控制器17进入水箱注水阶段，切换控制器17经I/O端口9导通24V固态继电器6g，通过I/O端口9g对注水水泵上电，注水水泵启动将外部水注入水箱内。当水箱水位高于上部水位探头时，上部水位探头检测到电位变化并通过数字通讯接口反馈至切换控制器17，切换控制器17关闭注水水泵，水箱注水阶段结束。
步骤C4：控制系统激活导航通讯控制器19进入水面通讯阶段，导航通讯控制器19经I/O端口9导通24V固态继电器6j、6k，通过I/O端口9j、9k分别对无线通讯模块和卫星通讯模块上电，与岸站(母船)建立数据通信链路。导航通讯控制器19通过RS232串口，将航行器GPS位置信息、航行器状态数据经由无线通讯模块或卫星通讯模块回转至岸站(母船)，并接收岸站(母船)发送的任务指令。
在水面航行模式下的控制策略包括以下步骤：
步骤D1：岸站(母船)向航行器控制系统发送水面工作模式指令与目标航点位置。控制系统激活导航通讯控制器19，通过卫星通讯模块内置GPS确定当前航行器位置，其与目标位置连线即为目标航向。
步骤D2：航向数据刷新后，控制系统激活风帆控制器16，风帆控制器16经I/O端口8导通DC-DC变压模块5对风向传感器上电，风向传感器以10s为刷新周期测得当前风向与目标航向的夹角，即相对风向角θ，并通过RS232串口反馈至控制系统，由控制系统计算风帆最佳转帆角度后，风帆控制器16控制转帆角调控电机启动使风帆旋转至最佳转帆角位置，转帆角度传感器将当前风帆转向角度模拟量反馈至风帆控制器16以形成半闭环控制。
如图4a所示，航行器最佳转角位置根据相对风向角θ确定，具体确定方法如下：
当相对风向角θ在-30°至30°范围内，航行器处于顺风区域航行时，风帆转帆角保持零位；
当相对风向角θ在-30°至-150°范围内，航行器处于右侧风区域航行时，采用差值法定义风帆转帆角，风向每变化30°转帆角相应变化-18°；
当相对风向角θ在30°至150°范围内，航行器处于左侧风区域航行时，采用差值法定义风帆转帆角，风向每变化30°转帆角相应变化18°；
当相对风向角θ在-150°至-180°及150°至180°范围内，航行器处于逆风区域内时，航行器无法通过气动力获得速度不能直线航行。本发明所述控制方法采用Z型航线抢风方式航行，通过增加额外航点改变原设定航向，使航行器沿一条曲折的线路行进至目标航点。图4b所示，A点为航行器当前位置，当目标航点B位于逆风区域时，沿风向夹角45°方向设立新建航点B’，将原AB航线拆分成AB’、B’B两段航线，从而避开逆风区域。
导航通讯控制器19通过电子罗盘获得当前航行器的船艏方向与目标航向的夹角，即航向偏角Φ，若航向偏角Φ超过20°，则导航通讯控制器19经I/O端口9导通24V固态继电器6a，通过I/O端口9a对尾舵上电，开启舵机通过改变尾舵角度以利用水流施加的水动侧向力改变航向，若航行器航向与设定航向偏差小于10°，则导航通讯控制器19控制舵机回归零位并关闭舵机；航向数据的刷新周期设定为30s。
步骤D3：若通过岸站(母船)关闭水面航行模式则判定水面航行模式结束，控制系统激活风帆控制器16进入风帆转角归零阶段，转帆角度传感器将当前风帆转向角度模拟量反馈至风帆控制器16，风帆控制器16经I/O端口9导通24V固态继电器6n，通过I/O端口9n对转帆角调控电机上电，转帆角度传感器通过模拟信号通道将风帆转向角反馈回风帆控制器16，实现转帆角调控电机的半闭环控制。风帆转至零位后风帆转角归零阶段结束。
步骤D4：控制系统激活导航通讯控制器19进入水面姿态保持阶段，导航通讯控制器19经I/O端口9导通24V固态继电器6j、6k，通过I/O端口9j、9k分别对无线通讯模块和卫星通讯模块上电，与岸站(母船)建立数据通信链路。导航通讯控制器19通过RS232串口，将航行器GPS位置信息、航行器状态数据经由无线通讯模块或卫星通讯模块回转至岸站(母船)，并接收岸站(母船)发送的下一步指令。
本发明控制系统实施应急保护控制，应急控制器18通过真空度传感器、漏水检测传感器、电压检测传感器、电流检测传感器对系统状态进行实时检测，并对电源电量不足、工作超时、下潜超深、密封舱漏水、通讯异常、供电故障等非正常运行状态做出反应：当控制系统判断发生非正常运行状态时，所述应急控制器18激活抛载执行器将抛载重物抛离航行器，使航行器在应急情况下获得正浮力而脱险。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种流体驱动双航态海洋无人航行器的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括液压控制器、风帆控制器、切换控制器、应急控制器和导航通讯控制器，各控制器由中央控制盒进行统一控制及管理；所述中央控制盒在物理上划分为CPU板和POWER板两个模块；所述中央控制盒由24V DC外部电池供电，供电线经舱壁开关接入POWER板，POWER板通过内部设置的DC-DC变压模块进行电压变换得到有12V DC和6V DC，6V DC用于为外部备用设备供电；12V DC用于为执行器和传感器供电；控制系统通过若干个I/O端口控制24V固态继电器为24V DC执行器供电；
所述CPU板上布置有嵌入式微处理器、数字电路和模拟电路，所述CPU板通过DC-DC变压模块将POW板的6V DC变换得到3.3V DC为数字电路供电；CPU板通过DC-DC变压模块将POW板的6V DC变换得到5V DC为CPU板内集成的传感器及模拟电路供电；CPU板通过流保护模块和DC-DC变压模块输出5V DC为外部5V DC传感器供电。
2.根据权利要求1所述的一种流体驱动双航态海洋无人航行器的控制系统，其特征在于，控制系统基于ARM CortexTM-M3内核的STM32F1系列32位嵌入式微处理器设计，具有9路全双工串行数字通讯接口、8路通过SPI总线扩展的16位A/D通道以及14路24V固态继电器；在数据存储方面控制系统采用Nor Flash+Nand Flash形式，用Nor Flash存储控制参数和规划航线，用Nand Flash存储任务数据，Nor Flash和Nand Flash均采用双余度方案，两个余度同时存储备份；Nor Flash采用2片16Mbits的工业级芯片，Nand Flash采用2片4GByte的工业级芯片，为任务数据存储预留空间。
3.根据权利要求1所述的一种流体驱动双航态海洋无人航行器的控制系统，其特征在于，所述液压控制器通过若干个I/O端口分别对执行器液压泵、回油阀、排油阀、切换阀、举帆阀、降帆阀进行通断控制，通过1路模拟量采样接口接收液位计的测量信息；
所述风帆控制器由2路RS232串口分别接收风向传感器、风速传感器的采集信息，通过模拟量A/D采样接口接收转帆角度传感器测量信息；风帆控制器通过I/O端口实施转帆角调控电机的转动控制；
所述切换控制器通过2路数字通讯接口分别检测上部水位探头与下部水位探头反馈的电平值变化，通过两个I/O端口分别对进水水泵与排水水泵进行通断控制；
所述应急控制器由3路模拟量A/D采样接口分别接收来自真空度传感器、电压检测传感器、电流检测传感器的测量信号，由1路数字通讯接口接收来自漏水检测传感器的电位信号，通过I/O端口实施执行器抛载重物的通断控制；
所述导航通讯控制器由4路RS232串口分别与无线通讯模块、卫星通讯模块、电子罗盘、尾舵进行双向信息交换，由2路模拟量A/D采样接口接收深度计与俯仰调控位移传感器的测量信号，通过I/O端口实施俯仰姿态调控电机的转动控制，通过三个I/O端口分别对尾舵、无线通讯模块、卫星通讯模块进行通断控制。
4.根据权利要求1或3所述的一种流体驱动双航态海洋无人航行器的控制系统，其特征在于，所述应急控制器通过真空度传感器、漏水检测传感器、电压检测传感器、电流检测传感器对控制系统状态进行实时检测，并对电源电量不足、工作超时、下潜超深、密封舱漏水、通讯异常、供电故障非正常运行状态做出反应：当控制系统判断发生非正常运行状态时，所述应急控制器激活抛载执行器将抛载重物抛离航行器，使航行器在应急情况下获得正浮力而脱险。
5.一种流体驱动双航态海洋无人航行器的控制方法，其特征在于，包括以下内容：
当航行器处于水下航行模式，通过控制系统的液压控制器调节航行器自身浮力，通过导航通讯控制器调节航行姿态，利用运动迎面水流施加的水动力实现升沉运动与水平行进，以锯齿形轨迹在水下滑翔航行；
当航行器处于航行切换模式，通过控制系统的液压控制器完成风帆、翼龙骨的位姿变换，通过切换控制器调节航行器储备浮力量，满足水面、水下两种航行模式对航行器浮性的要求；所述航行切换模式包括航行器由水下向水面切换模式和航行器由水面向水下切换模式；
当航行器处于水面航行模式，通过控制系统的风帆控制器调控风帆始终处于最佳转帆角位置，最大效率地利用海洋风施加的气动力驱动航行器在水面航行。
6.根据权利要求5所述的一种流体驱动双航态海洋无人航行器的控制方法，其特征在于，在水下航行模式下具体包括以下步骤：
步骤A1：岸站(母船)发送的水下航行模式任务指令由航行器的导航通讯控制器接收后，航行器控制系统激活液压控制器进入回油阶段，所述液压控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口对液压泵及回油阀上电，回油阀打开、液压泵启动将油液由外油囊吸入内油箱，液位计通过模拟信号将内部油箱内油量实时反馈至液压控制器，当内油箱油量达到回油设定值后液压控制器关闭回油阀、液压泵，此时航行器自身重力大于所受浮力并开始下潜，回油阶段结束；
步骤A2：控制系统激活导航通讯控制器进入下潜滑翔阶段，导航通讯控制器通过电子罗盘获得航行器俯仰角β与航向角α，若测得航行俯仰角β与目标俯仰角β’偏差超过10°，则导航通讯控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口对俯仰姿态调控电机上电，开启俯仰姿态调控电机通过移动俯仰调节重块位置以改变航行器俯仰角度，若俯仰角与设定角度偏差小于5°，则关闭俯仰姿态调控电机；姿态调节期间，俯仰调控位移传感器通过模拟信号将调节重块位置反馈回导航通讯控制器，实现俯仰姿态调控电机的半闭环控制；若测得航行器航向与设定航向偏差超过10°，则导航通讯控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口对尾舵上电，开启舵机通过改变方向舵角度以利用水流施加的水动侧向力改变航向，若航行器航向与设定航向偏差小于5°，则导航通讯控制器控制舵机回归零位并关闭舵机；下潜滑翔阶段中，深度计测量当前水下深度值并通过模拟信号通道反馈至导航通讯控制器，当深度到达设定下潜深度时下潜滑翔阶段结束；
步骤A3：控制系统激活液压控制器进入排油阶段，经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口对液压泵及排油阀上电，排油阀打开、液压泵启动将油液由内油箱推入外油囊，液位计通过模拟信号将内部油箱内油量实时反馈至液压控制器，当内油箱油量达到排油设定值后液压控制器关闭排油阀、液压泵，此时航行器所受浮力大于自身重力并开始上浮，排油阶段结束；
步骤A4：控制系统激活导航通讯控制器进入上浮滑翔阶段，导航通讯控制器通过罗盘获得航行器当前姿态与航向信息，若测得俯仰角与设定角度偏差超过10°，则导航通讯控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口对俯仰姿态调控电机上电，开启俯仰姿态调控电机通过移动俯仰调节重块位置以改变航行器俯仰角度，若俯仰角与设定角度偏差小于5°，则关闭俯仰姿态调控电机；姿态调节期间，俯仰调控位移传感器通过模拟信号将调节重块位置反馈回导航通讯控制器，实现俯仰姿态调控电机的半闭环控制；若测得航行器航向与设定航向偏差超过10°，则导航通讯控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口对尾舵上电，开启舵机通过改变方向舵角度以利用水流施加的水动侧向力改变航向，若航行器航向与设定航向偏差小于5°，则导航通讯控制器控制舵机回归零位并关闭舵机；上浮滑翔阶段中，深度计测量当前深度信息并通过模拟信号反馈至导航通讯控制器，当判定航行器上浮至水面后上浮滑翔阶段结束；
步骤A5：控制系统激活导航通讯控制器进入水面通讯阶段，导航通讯控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口分别对无线通讯模块和卫星通讯模块上电，与岸站(母船)建立数据通信链路；导航通讯控制器通过RS232串口，将航行器GPS位置信息、航行器状态数据经由无线通讯模块或卫星通讯模块回转至岸站(母船)，并接收岸站(母船)发送的任务指令。
7.根据权利要求5所述的一种流体驱动双航态海洋无人航行器的控制方法，其特征在于，航行器由水下向水面切换模式中具体包括以下步骤：
步骤B1：岸站(母船)发送的水下-水面切换任务指令由航行器的导航通讯控制器接收后，控制系统激活切换控制器进入水箱排水阶段，切换控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口对排水水泵上电，排水水泵启动将水箱中的水向外排出；当水箱水位低于下部水位探头时，下部水位探头检测到电位变化并通过数字通讯接口反馈至切换控制器，切换控制器关闭排水水泵，水箱排水阶段结束；
步骤B2：控制系统激活液压控制器进入风帆起升阶段，液压控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口分别对切换阀、举帆阀、液压泵上电，切换阀和举帆阀打开、液压泵启动将油液推入液压缸驱动风帆起升；油路压力传感器通过模拟信号将油压实时反馈至液压控制器，当反馈油压压力超出设定油压值后，表明风帆已处于竖直位姿，液压控制器关闭切换阀、举帆阀、液压泵，风帆起升阶段结束；
步骤B3：控制系统激活导航通讯控制器进入水面通讯阶段，导航通讯控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口分别对无线通讯模块和卫星通讯模块上电，与岸站(母船)建立数据通信链路；导航通讯控制器通过RS232串口，将航行器GPS位置信息、航行器状态数据经由无线通讯模块或卫星通讯模块回转至岸站(母船)，并接收岸站(母船)发送的任务指令。
8.根据权利要求5所述的一种流体驱动双航态海洋无人航行器的控制方法，其特征在于，航行器由水面向水下切换模式中具体包括以下步骤：
步骤C1：岸站(母船)发送的水面-水下切换任务指令由航行器的导航通讯控制器接收后，控制系统激活风帆控制器进入风帆转角归零阶段，转帆角度传感器将当前风帆转向角度模拟量反馈至风帆控制器，风帆控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口对转帆角调控电机上电，转帆角度传感器通过模拟信号将风帆转向角反馈回风帆控制器，实现转帆角调控电机的半闭环控制；风帆转至零位后风帆转角归零阶段结束；
步骤C2：控制系统激活液压控制器进入风帆回收阶段，液压控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口分别对切换阀、降帆阀、液压泵上电，液压泵启动将油液推入液压缸驱动风帆回收；油路压力传感器通过模拟信号通道将油压实时反馈至液压控制器，当反馈油压压力到达设定油压值后，表明风帆已处于水平回收位姿，液压控制器关闭切换阀、降帆阀、液压泵，风帆回收阶段结束；
步骤C3：控制系统激活切换控制器进入水箱注水阶段，切换控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口对注水水泵上电，注水水泵启动将外部水注入水箱内；当水箱水位高于上部水位探头时，上部水位探头检测到电位变化并通过数字通讯接口反馈至切换控制器，切换控制器关闭注水水泵，水箱注水阶段结束；
步骤C4：控制系统激活导航通讯控制器进入水面通讯阶段，导航通讯控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口分别对无线通讯模块和卫星通讯模块上电，与岸站(母船)建立数据通信链路；导航通讯控制器通过RS232串口，将航行器GPS位置信息、航行器状态数据经由无线通讯模块或卫星通讯模块回转至岸站(母船)，并接收岸站(母船)发送的任务指令。
9.根据权利要求5所述的一种流体驱动双航态海洋无人航行器的控制方法，其特征在于，在水面航行模式下具体包括以下步骤：
步骤D1：岸站(母船)向航行器控制系统发送水面工作模式指令与目标航点位置；控制系统激活导航通讯控制器，通过卫星通讯模块内置GPS确定当前航行器位置，其与目标位置连线即为目标航向；
步骤D2：航向数据刷新后，控制系统激活风帆控制器，风帆控制器经I/O端口导通DC-DC变压模块对风向传感器上电，风向传感器以10s为刷新周期测得当前风向与目标航向的夹角，即相对风向角θ，并通过RS232串口反馈至控制系统，由控制系统计算风帆最佳转帆角角度后，风帆控制器控制转帆角调控电机启动使风帆旋转至最佳转帆角位置，转帆角度传感器将当前风帆转向角度模拟量反馈至风帆控制器以形成半闭环控制；
导航通讯控制器通过电子罗盘获得当前航行器的船艏方向与目标航向的夹角，即航向偏角Φ，若航向偏角Φ超过20°，则导航通讯控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口对尾舵上电，开启舵机通过改变尾舵角度以利用水流施加的水动侧向力改变航向，若航行器航向与设定航向偏差小于10°，则导航通讯控制器控制舵机回归零位并关闭舵机；航向数据的刷新周期设定为30s；
步骤D3：若通过岸站(母船)关闭水面航行模式则判定水面航行模式结束，控制系统激活风帆控制器进入风帆转角归零阶段，转帆角度传感器将当前风帆转向角度模拟量反馈至风帆控制器，风帆控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口对转帆角调控电机上电，转帆角度传感器通过模拟信号通道将风帆转向角反馈回风帆控制器，实现转帆角调控电机的半闭环控制；风帆转至零位后风帆转角归零阶段结束；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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