CN111976929A - 一种带有应急自救浮标的无人潜航器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无人潜航器技术领域，具体涉及一种带有应急自救浮标的无人潜航器及其控制方法。本发明的无人潜航器适用于复杂的任务，针对不同工作环境可以采取相应保障措施。当本发明的无人潜航器因突发事件失事沉没于水底时，若浮标所带的缆绳长度大于失事的深度，且缆绳没有被海带等杂物缠住，则浮标可以直接带缆绳浮出水面，可以通过缆绳直接打捞无人潜航器；若浮标所带缆绳长度小于失事的深度，或缆绳长度大于失事的深度，但缆绳被缠住导致浮标不能带缆绳浮出水面时，浮标可以抛弃缆绳独自浮出水面。本发明不仅可以保护重要的工作数据，也可以在水面上第一时间向远程的工作人员发送自身的位置信息，作为UUV失事位置的参考定位。

Description

一种带有应急自救浮标的无人潜航器及其控制方法

技术领域

本发明属于无人潜航器技术领域，具体涉及一种带有应急自救浮标的无人潜航器及其控制方法。

背景技术

无人潜航器在水下工作时通讯困难，因此在很大程度上需要自主决策，为了尽可能地减小失事风险，无人潜航器一般会设有自救装置。无人潜航器的自救方式大体上可以分为三类，分别是通过增大体积获取浮力，通过减小重量获取浮力，通过释放自救浮标从而间接获取外力来打捞失事的无人潜航器。但这几种方式都存在缺陷，例如，对于增大体积式自救方式，当无人潜航器体积越大、工作深度越深时，对气囊的强度和体积要求越来越难以实现；对于减小重量自救方式，当无人潜航器自身运动受到限制时，抛载式装置即使抛掉重物，也依旧会使无人潜航器难以上浮。因此目前的大多数无人潜航器会根据自身的工作需求，至少采用上述一种甚至多种的自救手段，尽可能实现最优的自救方案。

释放自救浮标的方式，是指在无人潜航器遇险时，无人潜航器释放出一个带缆绳的浮标装置，该装置能够依靠自身正浮力快速上浮到水面，向水面工作人员示警并指示无人潜航器的大致位置；工作人员可以利用浮标所携带的极细、且韧性强的缆绳打捞遇险的无人潜航器。这种自救浮标装置在适合条件下具有驱动结构简单、救援效率高的优点。但在复杂环境下，这种自救浮标装置就很容易失效。

自救浮标装置对携带的缆绳强度有很高的要求，强度越大、长度越长的缆绳占用的体积和重量也越大，但自救浮标装置自身的正浮力也是有限的，不可能让这根缆绳无限制增长，因此这对无人潜航器的最大工作深度有限制。当无人潜航器工作的水域由于某些因素，其部分区域的最大深度超过自救浮标装置携带缆绳的长度，这样就会增加无人潜航器的风险。在某些复杂水域中，即使自救浮标装置携带缆绳的长度超过工作水域的深度，自救浮标装置携带缆绳也可能会能被渔网、海带等杂物缠住，使自救浮标装置不能顺利浮出到水面，从而失去定位的作用。

发明内容

本发明的目的在于提供可以执行水域环境复杂、且深度可能有突然异常增加等条件的复杂任务，具备较好安全保障的一种带有应急自救浮标的无人潜航器。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括浮标；所述的浮标整体内嵌于无人潜航器的上部，且浮标的上表面与无人潜航器共形；所述的浮标包括浮标耐压舱、存储与供电单元和应急控制单元；所述的存储与供电单元包括供电与通讯防水接口P1、充电防水接口P2、数据存储计算机U0、充电模块U1、电源分配模块U2、蓄电池BT1、第一继电器K1和第一二极管D1；所述的应急控制单元包括压力传感器P3、缆绳释放电磁铁P4、复合天线P5、北斗定位与通讯模块U3、浮标控制器U4、第二继电器K2、第二二极管D2和三极管Q1；

所述的浮标耐压舱外侧表面上铺设有浮力材料，在浮标耐压舱底部开设有凹槽；所述的数据存储计算机U0、充电模块U1、电源分配模块U2、北斗定位与通讯模块U3、浮标控制器U4、蓄电池BT1、第一继电器K1、第二继电器K2、第一二极管D1、第二二极管D2和三极管Q1均设置在浮标耐压舱内部；所述的供电与通讯防水接口P1、充电防水接口P2和压力传感器P3均设置在浮标耐压舱底部；所述的缆绳释放电磁铁P4设置在浮标耐压舱底部的凹槽中；所述的复合天线P5设置在浮标耐压舱顶部；

所述的供电与通讯防水接口P1的VCC2引脚分别与数据存储计算机U0的VCC引脚、充电模块U1的Win引脚和第一继电器K1控制回路的正极连接，供电与通讯防水接口P1的GND2引脚分别与数据存储计算机U0的GND引脚、充电模块U1的Gnd引脚和第一继电器K1控制回路的负极连接；所述的充电模块U1的Vout+引脚连接至蓄电池BT1的BVCC端，充电模块U1的Vout-引脚连接至蓄电池BT1的BGND端；所述的第一二极管D1并联在第一继电器K1的控制回路；所述的电源分配模块U2的输入端VIN引脚与充电防水接口P2连接，电源分配模块U2的输入端GND引脚分别与蓄电池BT1的BGND端和浮标控制器U4的Gnd引脚连接，电源分配模块U2的输入端CTL控制引脚与第一继电器K1的常开触点的一端连接，第一继电器K1的常开触点的另一端与蓄电池BT1的BGND端连接；电源分配模块U2的输出端BGND引脚与北斗定位与通讯模块U3的Gnd引脚连接，电源分配模块U2的输出端V2引脚分别与浮标控制器U4的Vcc引脚和三极管Q1的集电极连接，电源分配模块U2的输出端V1引脚分别与压力传感器P3的正极、北斗定位与通讯模块U3的Vcc引脚和第二继电器K2输出回路的一端连接，第二继电器K2输出回路的另一端与缆绳释放电磁铁P4的正极连接，缆绳释放电磁铁P4的负极与蓄电池BT1的BGND端连接；

所述的北斗定位与通讯模块U3的串行通讯数据发送引脚Txd与浮标控制器U4的数据接收引脚Rxd连接，北斗定位与通讯模块U3的数据接收引脚Rxd与浮标控制器U4的数据发送引脚Txd连接；所述的复合天线P5与北斗定位与通讯模块U3的Send引脚和Receive引脚连接；所述的浮标控制器U4的I/O-1引脚与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的发射极与第二继电器K2控制回路的一端连接，第二继电器K2控制回路的另一端与蓄电池BT1的BGND端连接；第二继电器K2控制回路的BGND端与第二二极管D2的正极连接，第二二极管D2的负极与三极管Q1的基极连接；在蓄电池BT1的BVCC端和BGND端之间串联有电阻R1和电阻R2，浮标控制器U4的ADC1_0引脚连接至电阻R1和R2之间；所述的压力传感器P3的负极与蓄电池BT1的BGND端连接，压力传感器P3的信号输出引脚与浮标控制器U4的ADC1_1引脚连接；

在无人潜航器上部设有浮标释放电磁铁P8和UUV供电与通讯防水接口P7，无人潜航器内部设有UUV主控单元和储线舱；所述的浮标耐压舱下表面通过铁板吸附在浮标释放电磁铁P8上；所述的储线舱中设有缆绳，缆绳的一端固定在储线舱内，另一端通过铁块吸附在缆绳释放电磁铁P4上；所述的UUV主控单元包括主控制器、第一电源、第二电源、第三二极管D3、双刀单掷继电器K3；所述的双刀单掷继电器K3的控制回路与主控制器连接，双刀单掷继电器K3的第一静触点与第一电源的正极PVCC1连接，双刀单掷继电器K3的第一动触点与浮标释放电磁铁P8连接，双刀单掷继电器K3的第二静触点与第二电源的正极PVCC2连接，双刀单掷继电器K3的第二动触点与UUV供电与通讯防水接口P7的VCC2引脚连接；所述的第三二极管D3并联在双刀单掷继电器K3的控制回路上。

本发明的目的还在于提供一种带有应急自救浮标的无人潜航器的控制方法。

本发明的目的通过如下技术方案实现：包括以下步骤：

步骤1：在无人潜航器下水工作之前，连接UUV供电与通讯防水接口P7和充电防水接口P2，UUV主控单元中的双刀单掷继电器K3的第二静触点闭合，通过第二电源为浮标中的蓄电池BT1充电，充电结束后使用防水堵头堵住充电防水接口P2；

步骤2：在无人潜航器正常工作时，连接UUV供电与通讯防水接口P7和供电与通讯防水接口P1，UUV主控单元中的双刀单掷继电器K3的两个动触点均闭合，第一电源为浮标释放电磁铁P8供电，浮标释放电磁铁P8提供的吸附力大于浮标自身的浮力，使浮标不能脱离无人潜航器上浮；第二电源为浮标耐压舱供电，浮标耐压舱内的数据存储计算机U0保持工作状态，充电模块U1为蓄电池BT1充电；第一继电器K1控制回路的触点闭合，电源分配模块U2的输入端CTL控制引脚与蓄电池BT1的BGND端连接，使电源分配模块U2不工作；

步骤3：当无人潜航器出现故障且主控单元主控制器执行自救程序失败，需要外界救援时，UUV主控单元中的主控制器向浮标耐压舱内数据存储计算机U0最后传递状态信息，双刀单掷继电器K3的两个动触点均断开，浮标释放电磁铁P8失电消磁，浮标携带缆绳上浮；若无人潜航器发生严重故障导致主控制器无法工作时，双刀单掷继电器K3的控制回路同样失电，导致双刀单掷继电器K3输出回路的两个动触点均断开，使浮标携带缆绳上浮；

步骤4：浮标与UUV分离后，存储与供电单元的数据存储计算机U0停止工作，充电模块U1停止为蓄电池BT1充电，第一继电器K1的控制回路失电，第一继电器K1的常开式触点断开，使电源分配模块U2的输入端CTL控制引脚悬空，电源分配模块U2开始工作并为应急控制单元供电；应急控制单元的压力传感器P3、浮标控制器U4开始工作，开始计时并定时采样压力传感器P3的AD2信号和蓄电池BT1的分压AD1信号；

若浮标上浮的时间超过预先设定值，且压力传感器P3测量的压力值大于预设的出水压力值，则说明浮标所带缆绳长度小于无人潜航器失事的深度，浮标不能按时浮出到水面，此时浮标控制器U4控制器的I/O-1引脚输出高电平至少5秒钟，借助三极管Q1使第二继电器K2控制回路的常开触点闭合，进而使缆绳释放电磁铁P4上电，缆绳释放电磁铁P4通电后消磁，不再吸附带缆绳的铁块，使浮标抛弃铁块及缆绳；

若压力传感器P3测量的压力值小于预设的出水压力值，则说明浮标已经浮出到水面上，浮标开始通过北斗定位与通讯模块和复合天线，以一定时间间隔发送含自身定位信息的求救信号；若浮标控制器U4检测蓄电池BT1的分压值小于预设值，则说明蓄电池剩余电量不多，浮标控制器U4降低求救信号发送频率以延长工作时间。

本发明的有益效果在于：

本发明的一种带有应急自救浮标的无人潜航器适用于复杂的任务，针对不同工作环境可以采取相应保障措施。本发明的带有应急自救浮标的无人潜航器因突发事件失事沉没于水底时，若浮标所带的缆绳长度大于失事的深度，且缆绳没有被海带等杂物缠住，则浮标可以直接带缆绳浮出水面，可以通过缆绳直接打捞无人潜航器；若浮标所带缆绳长度小于失事的深度，或缆绳长度大于失事的深度，但缆绳被缠住导致浮标不能带缆绳浮出水面时，浮标可以抛弃缆绳独自浮出水面。本发明不仅可以保护重要的工作数据，也可以在水面上第一时间向远程的工作人员发送自身的位置信息，作为UUV失事位置的参考定位。

附图说明

图1为本发明的浮标结构示意图。

图2为本发明的存储与供电单元电路图。

图3为本发明的应急控制单元电路图。

图4为本发明的主控单元电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明提供了一种带有应急自救浮标的无人潜航器及其控制方法。本发明的应急自救浮标不仅可以存储无人潜航器重要的数据，而且也可以通过携带缆绳定位遇险的无人潜航器；当应急自救浮标遇到异常情况不能携带缆绳浮出水面时，还可以自动抛弃缆绳浮出水面，这样可以确保工作数据的安全，也可以在浮出水面后第一时间向远程的工作人员发送自身的位置信息，作为无人潜航器失事位置的参考定位，实现自救浮标装置的自身应急自救功能。

一种带有应急自救浮标的无人潜航器，包括浮标；所述的浮标整体内嵌于无人潜航器的上部，且浮标的上表面与无人潜航器共形；所述的浮标包括浮标耐压舱、存储与供电单元和应急控制单元；所述的存储与供电单元包括供电与通讯防水接口P1、充电防水接口P2、数据存储计算机U0、充电模块U1、电源分配模块U2、蓄电池BT1、第一继电器K1和第一二极管D1；所述的应急控制单元包括压力传感器P3、缆绳释放电磁铁P4、复合天线P5、北斗定位与通讯模块U3、浮标控制器U4、第二继电器K2、第二二极管D2和三极管Q1；

所述的浮标耐压舱外侧表面上铺设有浮力材料，在浮标耐压舱底部开设有凹槽；所述的数据存储计算机U0、充电模块U1、电源分配模块U2、北斗定位与通讯模块U3、浮标控制器U4、蓄电池BT1、第一继电器K1、第二继电器K2、第一二极管D1、第二二极管D2和三极管Q1均设置在浮标耐压舱内部；所述的供电与通讯防水接口P1、充电防水接口P2和压力传感器P3均设置在浮标耐压舱底部；所述的缆绳释放电磁铁P4设置在浮标耐压舱底部的凹槽中；所述的复合天线P5设置在浮标耐压舱顶部；

所述的供电与通讯防水接口P1的VCC2引脚分别与数据存储计算机U0的VCC引脚、充电模块U1的Win引脚和第一继电器K1控制回路的正极连接，供电与通讯防水接口P1的GND2引脚分别与数据存储计算机U0的GND引脚、充电模块U1的Gnd引脚和第一继电器K1控制回路的负极连接；所述的充电模块U1的Vout+引脚连接至蓄电池BT1的BVCC端，充电模块U1的Vout-引脚连接至蓄电池BT1的BGND端；所述的第一二极管D1并联在第一继电器K1的控制回路；所述的电源分配模块U2的输入端VIN引脚与充电防水接口P2连接，电源分配模块U2的输入端GND引脚分别与蓄电池BT1的BGND端和浮标控制器U4的Gnd引脚连接，电源分配模块U2的输入端CTL控制引脚与第一继电器K1的常开触点的一端连接，第一继电器K1的常开触点的另一端与蓄电池BT1的BGND端连接；电源分配模块U2的输出端BGND引脚与北斗定位与通讯模块U3的Gnd引脚连接，电源分配模块U2的输出端V2引脚分别与浮标控制器U4的Vcc引脚和三极管Q1的集电极连接，电源分配模块U2的输出端V1引脚分别与压力传感器P3的正极、北斗定位与通讯模块U3的Vcc引脚和第二继电器K2输出回路的一端连接，第二继电器K2输出回路的另一端与缆绳释放电磁铁P4的正极连接，缆绳释放电磁铁P4的负极与蓄电池BT1的BGND端连接；

所述的北斗定位与通讯模块U3的串行通讯数据发送引脚Txd与浮标控制器U4的数据接收引脚Rxd连接，北斗定位与通讯模块U3的数据接收引脚Rxd与浮标控制器U4的数据发送引脚Txd连接；所述的复合天线P5与北斗定位与通讯模块U3的Send引脚和Receive引脚连接；所述的浮标控制器U4的I/O-1引脚与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的发射极与第二继电器K2控制回路的一端连接，第二继电器K2控制回路的另一端与蓄电池BT1的BGND端连接；第二继电器K2控制回路的BGND端与第二二极管D2的正极连接，第二二极管D2的负极与三极管Q1的基极连接；在蓄电池BT1的BVCC端和BGND端之间串联有电阻R1和电阻R2，浮标控制器U4的ADC1_0引脚连接至电阻R1和R2之间；所述的压力传感器P3的负极与蓄电池BT1的BGND端连接，压力传感器P3的信号输出引脚与浮标控制器U4的ADC1_1引脚连接；

在无人潜航器上部设有浮标释放电磁铁P8和UUV供电与通讯防水接口P7，无人潜航器内部设有UUV主控单元和储线舱；所述的浮标耐压舱下表面通过铁板吸附在浮标释放电磁铁P8上；所述的储线舱中设有缆绳，缆绳的一端固定在储线舱内，另一端通过铁块吸附在缆绳释放电磁铁P4上；所述的UUV主控单元包括主控制器、第一电源、第二电源、第三二极管D3、双刀单掷继电器K3；所述的双刀单掷继电器K3的控制回路与主控制器连接，双刀单掷继电器K3的第一静触点与第一电源的正极PVCC1连接，双刀单掷继电器K3的第一动触点与浮标释放电磁铁P8连接，双刀单掷继电器K3的第二静触点与第二电源的正极PVCC2连接，双刀单掷继电器K3的第二动触点与UUV供电与通讯防水接口P7的VCC2引脚连接；所述的第三二极管D3并联在双刀单掷继电器K3的控制回路上。

一种带有应急自救浮标的无人潜航器的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：在无人潜航器下水工作之前，连接UUV供电与通讯防水接口P7和充电防水接口P2，UUV主控单元中的双刀单掷继电器K3的第二静触点闭合，通过第二电源为浮标中的蓄电池BT1充电，充电结束后使用防水堵头堵住充电防水接口P2；

步骤2：在无人潜航器正常工作时，连接UUV供电与通讯防水接口P7和供电与通讯防水接口P1，UUV主控单元中的双刀单掷继电器K3的两个动触点均闭合，第一电源为浮标释放电磁铁P8供电，浮标释放电磁铁P8提供的吸附力大于浮标自身的浮力，使浮标不能脱离无人潜航器上浮；第二电源为浮标耐压舱供电，浮标耐压舱内的数据存储计算机U0保持工作状态，充电模块U1为蓄电池BT1充电；第一继电器K1控制回路的触点闭合，电源分配模块U2的输入端CTL控制引脚与蓄电池BT1的BGND端连接，使电源分配模块U2不工作；

步骤3：当无人潜航器出现故障且主控单元主控制器执行自救程序失败，需要外界救援时，UUV主控单元中的主控制器向浮标耐压舱内数据存储计算机U0最后传递状态信息，双刀单掷继电器K3的两个动触点均断开，浮标释放电磁铁P8失电消磁，浮标携带缆绳上浮；若无人潜航器发生严重故障导致主控制器无法工作时，双刀单掷继电器K3的控制回路同样失电，导致双刀单掷继电器K3输出回路的两个动触点均断开，使浮标携带缆绳上浮；

步骤4：浮标与UUV分离后，存储与供电单元的数据存储计算机U0停止工作，充电模块U1停止为蓄电池BT1充电，第一继电器K1的控制回路失电，第一继电器K1的常开式触点断开，使电源分配模块U2的输入端CTL控制引脚悬空，电源分配模块U2开始工作并为应急控制单元供电；应急控制单元的压力传感器P3、浮标控制器U4开始工作，开始计时并定时采样压力传感器P3的AD2信号和蓄电池BT1的分压AD1信号；

若浮标上浮的时间超过预先设定值，且压力传感器P3测量的压力值大于预设的出水压力值，则说明浮标所带缆绳长度小于无人潜航器失事的深度，浮标不能按时浮出到水面，此时浮标控制器U4控制器的I/O-1引脚输出高电平至少5秒钟，借助三极管Q1使第二继电器K2控制回路的常开触点闭合，进而使缆绳释放电磁铁P4上电，缆绳释放电磁铁P4通电后消磁，不再吸附带缆绳的铁块，使浮标抛弃铁块及缆绳；

若压力传感器P3测量的压力值小于预设的出水压力值，则说明浮标已经浮出到水面上，浮标开始通过北斗定位与通讯模块和复合天线，以一定时间间隔发送含自身定位信息的求救信号；若浮标控制器U4检测蓄电池BT1的分压值小于预设值，则说明蓄电池剩余电量不多，浮标控制器U4降低求救信号发送频率以延长工作时间。

实施例1：

一种带有可自动抛弃缆绳的应急自救浮标(以下简称浮标)的无人潜航器(以下简称UUV)，包括复合天线1、浮标耐压舱2、电池和控制电路3，浮力材料4，缆绳释放电磁铁5，铁块及缆绳6，压力传感器7，供电与通讯防水接口8，电池充电防水接口9和铁板10组成；其中复合天线1、缆绳释放电磁铁5、压力传感器7、供电与通讯防水接口8，电池充电防水接口9都与电池和控制电路3中的控制电路相连接。如图1所示，浮标内嵌于UUV上方，其上表面与UUV共形，浮标耐压舱2整体为圆柱状，其底部中心有圆柱形凹槽，凹槽外固定有铁板10；在UUV相对应的位置处有浮标释放电磁铁，由UUV主控单元供电。电池和控制电路3安装在浮标耐压舱2内部，其中电池为蓄电池，当浮标与UUV分离后，为控制电路部分功能电路提供电源；控制电路包括存储与供电单元和应急控制单元。浮力材料4为圆环状，固定于圆柱状浮标耐压舱表面，为浮标提供正浮力；当浮标与UUV分离后，浮力材料能够使浮标快速上浮。复合天线1与应急控制单元的复合天线P5接口相连接，设置于浮标耐压舱上方，其内部有北斗接收和发射两个天线，用于在浮标与UUV分离后，浮标浮出水面后接收定位信息和发送求救信号。铁块及缆绳6中缆绳盘放于UUV内设置的储线舱内，一端连接在圆柱形铁块上，圆柱形铁块嵌入在浮标耐压舱底部的凹槽内，缆绳另一端固定在储线舱内。缆绳释放电磁铁5与应急控制单元相连接，固定于浮标耐压舱底部凹槽内，用于吸附圆柱形铁块及其连接的缆绳；当UUV遇到险情所沉的深度短于缆绳长度，缆绳释放电磁铁继续吸附圆柱形铁块及其连接的缆绳；当UUV遇到险情所沉的深度长于缆绳长度，缆绳释放电磁铁短时通电，使圆柱形铁块及其连接的缆绳脱离缆绳释放电磁铁，最终使浮标以不携带铁块及缆绳方式上浮至水面。压力传感器7与应急控制单元相连接，固定于浮标耐压舱底部；用于在浮标与UUV分离后，测量浮标自身深度。供电与通讯防水接口8即存储与供电单元中的供电与通讯防水接口P1，固定于浮标耐压舱底部。电池充电防水接口9即存储与供电单元中的电池充电防水接口P2，固定于浮标耐压舱底部。

如图2所示。存储与供电单元包括：供电与通讯防水接口P1、电池充电防水接口P2、数据存储计算U0、蓄电池BT1、充电模块U1、电源分配模块U2和第一继电器K1。

供电与通讯防水接口P1，当浮标与UUV未分离时，与UUV主控单元的供电与通讯防水接口P7相连。

电池充电防水接口P2用于在UUV下水前为浮标耐压舱内蓄电池充电，用该接口P2的1和2引脚充电；当浮标准备工作时，采用专门制作的防水堵头堵上，使接口P2的1引脚悬空，P2的2和3引脚短接，使蓄电池正极BVCC和电源分配模块U2的VIN引脚相连接。

数据存储计算机U0与供电与通讯防水接口P1相连，通过P1接口与UUV主控单元的P7接口相连，使数据存储计算机U0由UUV主控单元供电，并且接收UUV主控单元传来的网络数据，储存UUV运动状态信息和重要任务数据；数据存储计算机U0的VCC、GND引脚分别与接口P1的2(VCC2)和1(GND2)引脚相连；U0的TX+、TX-、RX+、RX-引脚与接口P1的6、5、4、3引脚相连。

充电模块U1用于在UUV主控单元正常工作时，由供电与通讯防水接口P1从UUV主控单元引入的电源作为输入，为浮标耐压舱内的蓄电池BT1充电；即充电模块U1的Win和Gnd引脚分别接供电与通讯防水接口P1的2(VCC2)和1(GND2)引脚；充电模块U1的Vout+和Vout-引脚分别接蓄电池BT1的BVCC和BGND端。

电源分配模块U2主要在浮标与UUV分离后，为浮标提供电源；U2的输出端分别为V1、V2和GND，U2的输入端WIN引脚与充电防水接口P2的3引脚相连，U2的输入端GND引脚与蓄电池BGND端相连。

第一继电器K1在浮标与UUV未分离时，控制电源分配模块U2不能工作；在浮标与UUV分离后，继电器K1控制电源分配模块U2工作，为浮标耐压舱内的应急控制单元提供电源；第一继电器K1控制回路的正负极分别与供电与通讯防水接口P1的2(VCC2)和1(GND2)引脚相连，二极管D1并联在第一继电器K1的控制回路，K1常开触点一端接蓄电池的BGND端，其常开触点另外一端接电源分配模块U2的控制引脚CTL上。

如图3所示。应急控制单元包括：北斗定位与通讯模块U3、浮标控制器U4、第二继电器K2和蓄电池测量电路。

北斗定位与通讯模块U3和浮标控制器U4，由电源分配模块U2供电，即北斗定位与通讯模块U3的Vcc和Gnd引脚分别连接电源分配模块U2的V1和BGND端，浮标控制器U4的Vcc和Gnd引脚分别连接电源分配模块的V2和GND端；北斗定位与通讯模块U3的串行通讯数据发送引脚Txd和数据接收引脚Rxd分别连接浮标控制器U4的数据接收引脚Rxd和数据发送引脚Txd；北斗定位与通讯模块U3的Send和Receive引脚与复合天线P5的1和2引脚相连。浮标控制器U4的I/O-1脚连接三极管Q1的基极，用于控制缆绳释放电磁铁电源的通和断；三极管Q1的集电极连接电源分配模块U2的V2端，三极管Q1的发射极连接第二继电器K2控制回路的一端，第二继电器K2控制回路的另一端接蓄电池BGND端，二极管D2连接第二继电器K2控制回路的BGND端和三极管Q1的基极；第二继电器K2输出回路一端接缆绳释放电磁铁供电端，另一端接电源分配模块U2的V1端。在蓄电池BVCC端(即VCC)和BGND端之间串联有精密电阻R1和R2，电阻R1和R2之间引出电压信号AD1，连接到浮标控制器U4的ADC1_0引脚上，用于检测蓄电池BT1的分压信号。

压力传感器P3的正极接电源分配模块U2的V1端，其负极接蓄电池的BGND端，其信号输出引脚引出AD2电压信号，接到浮标控制器U4的ADC1_1引脚，用于测量压力信号。缆绳释放电磁铁P4的正极接浮标控制单元的继电器K2常开触点的一端，其负极接蓄电池的BGND端。

如图4所示。UUV主控单元中主控制器提供控制引脚FB和四个网络网络通信引脚NetTX+、NetTX-、NetRX+、NetRX-，两路电源PVCC1和GND1，PVCC2和GND2。第1路电源正极PVCC1,负极GND1，通过双刀单掷继电器K3触点1为环形电磁铁供电。第2路电源正极PVCC2,负极GND2，通过双刀单掷继电器K3触点2为浮标耐压舱供电。在主控单元中设有双刀单掷继电器K3，其控制回路一端接主控制器FB引脚，另一端接PGND，二极管D3与其控制回路并联，起续流作用。双刀单掷继电器K3的两个静触点分别接UUV主控单元的两路电源正极PVCC1和PVCC2，其动触点分别接浮标释放电磁铁供电端和供电与通讯防水接口VCC2。

本发明的一种带有应急自救浮标的无人潜航器的控制方法包括：

(1)UUV开始工作后，由其主控单元为浮标的存储与供电模块和浮标释放电磁铁供电，浮标内数据存储计算机U0接收并存储UUV主控制器发来的数据。

(2)UUV遇到险情自救失败或主控制器直接无法工作时，浮标释放电磁铁失电，浮标与UUV分离，浮标的应急控制单元开始工作。

(3)浮标上浮一段时间后，若压力传感器数据大于预设的出水压力，则浮标控制器使缆绳释放电磁铁消磁，浮标抛弃铁块及缆绳；否则，浮标持续携带铁块及缆绳。

(4)压力传感器数据小于预设的出水压力后，浮标通过北斗定位与通讯模块U3按一定频率发送求救信号，若浮标蓄电池电压过低，则降低发送频率以延长工作时间。

具体工作流程为：

步骤1：在UUV下水工作之前，通过浮标上的电池充电防水接口P2的1，2引脚为浮标内蓄电池BT1充电，充电结束后插上特制的防水堵头使1脚接空，2和3脚短接。

步骤2：UUV正常工作时，主控制器FB引脚保持高电平输出，继电器K3控制回路得电，继电器K3两个开关闭合；第1路电源正极PVCC1,负极GND1，通过K3触点1为浮标释放电磁铁供电，浮标释放电磁铁提供的吸附力大于浮标自身的浮力，使其不能脱离UUV上浮；第2路电源正极PVCC2，负极GND2，通过K3触点2提供电源给供电与通讯防水接口P7，再通过浮标耐压舱上的P1接口给浮标耐压舱内供电。该供电作用有三个，一是为浮标耐压舱内存储与供电单元的数据存储计算机U0供电；二是通过存储与供电单元的充电模块U1为浮标的蓄电池BT1充电；三是使浮标存储与供电单元的继电器K1控制回路通电，进而使开关闭合，最终使电源分配模块U2的控制引脚CTL接BGND，其作用是使电源分配模块U2不工作，即浮标控制单元不上电。

另外，借助于接口P7和P1，UUV主控舱内主控计算机通过四个网络通信引脚NetTX+、NetTX-、NetRX+、NetRX-，向浮标耐压舱内存储与供电单元的数据存储计算机U0发送UUV状态信息和其他重要的工作信息。

步骤3：当UUV出现故障且主控单元主控制器执行自救程序失败，需要外界救援时，主控制器向浮标耐压舱内数据存储计算机U0最后传递状态信息，并使FB引脚输出低电平，使继电器K3输出回路断开，一方面不再提供电源给供电与通讯防水接口P7，另一方面使UUV的浮标释放电磁铁失电消磁，浮标(包括浮力材料)依靠自身浮力克服供电与通讯防水接口P7和P1之间的摩擦力等各种阻力，携带铁块及缆绳上浮。

若UUV发生严重故障，导致UUV主控制器无法工作，继电器K3控制回路同样失电，继电器K3输出回路断开，UUV的浮标释放电磁铁失电消磁，浮标上固定的铁板不再被其吸附，依靠自身浮力克服两个供电与通讯防水接口P7和P1之间的摩擦力等各种阻力，携带铁块及缆绳上浮。

步骤4：浮标与UUV分离后，两个供电与通讯防水接口P7和P1断开，存储与供电单元的数据存储计算机U0停止工作；充电模块U1停止为蓄电池BT1充电；继电器K1控制回路失电，其常开式触点断开，使电源分配模块U2的CTL引脚悬空，电源分配模块U2开始工作，为浮标控制单元供电，即应急控制单元的压力传感器P3、浮标控制器U4开始工作，开始计时并定时采样压力传感器的AD2信号和蓄电池的分压AD1信号。

步骤5：浮标在上浮过程中，浮标控制器U4开始计时并每隔一段时间对压力传感器P3(即深度数据)进行采样。当上浮时间超过预先设定值，且压力值大于预设的出水压力值，则说明浮标所带缆绳长度短于UUV失事的深度，或者浮标所带缆绳长度即使长于UUV失事的深度，但缆绳被海带等杂物缠住，而导致浮标不能按时浮出到水面。浮标控制器U4控制器I/O-1引脚输出高电平至少5秒钟，借助三极管Q5使继电器K2控制回路得电至少5秒钟，使其常开触点闭合，进而使缆绳释放电磁铁P4上电，缆绳释放电磁铁P4通电后消磁，不再吸附带缆绳的铁块，即浮标抛弃铁块及缆绳；否则，浮标持续携带铁块及缆绳。

步骤6：当浮标控制器U4测量的压力传感器P3的压力值小于预设的出水压力值，说明浮标已经浮出到水面上，浮标开始通过北斗定位与通讯模块和复合天线，以一定时间间隔发送含自身定位信息的求救信号。

步骤7：若浮标控制器U4检测蓄电池的分压值小于预设值，则说明蓄电池剩余电量不多，浮标控制器U4降低求救信号发送频率以延长工作时间。

本发明的一种带有应急自救浮标的无人潜航器适用于复杂的任务，针对不同工作环境可以采取相应保障措施。本发明的带有应急自救浮标的无人潜航器因突发事件失事沉没于水底时，若浮标所带的缆绳长度大于失事的深度，且缆绳没有被海带等杂物缠住，则浮标可以直接带缆绳浮出水面，可以通过缆绳直接打捞无人潜航器；若浮标所带缆绳长度小于失事的深度，或缆绳长度大于失事的深度，但缆绳被缠住导致浮标不能带缆绳浮出水面时，浮标可以抛弃缆绳独自浮出水面。本发明不仅可以保护重要的工作数据，也可以在水面上第一时间向远程的工作人员发送自身的位置信息，作为UUV失事位置的参考定位。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (2)

1.一种带有应急自救浮标的无人潜航器，其特征在于：包括浮标；所述的浮标整体内嵌于无人潜航器的上部，且浮标的上表面与无人潜航器共形；所述的浮标包括浮标耐压舱、存储与供电单元和应急控制单元；所述的存储与供电单元包括供电与通讯防水接口P1、充电防水接口P2、数据存储计算机U0、充电模块U1、电源分配模块U2、蓄电池BT1、第一继电器K1和第一二极管D1；所述的应急控制单元包括压力传感器P3、缆绳释放电磁铁P4、复合天线P5、北斗定位与通讯模块U3、浮标控制器U4、第二继电器K2、第二二极管D2和三极管Q1；

所述的浮标耐压舱外侧表面上铺设有浮力材料，在浮标耐压舱底部开设有凹槽；所述的数据存储计算机U0、充电模块U1、电源分配模块U2、北斗定位与通讯模块U3、浮标控制器U4、蓄电池BT1、第一继电器K1、第二继电器K2、第一二极管D1、第二二极管D2和三极管Q1均设置在浮标耐压舱内部；所述的供电与通讯防水接口P1、充电防水接口P2和压力传感器P3均设置在浮标耐压舱底部；所述的缆绳释放电磁铁P4设置在浮标耐压舱底部的凹槽中；所述的复合天线P5设置在浮标耐压舱顶部；

所述的供电与通讯防水接口P1的VCC2引脚分别与数据存储计算机U0的VCC引脚、充电模块U1的Win引脚和第一继电器K1控制回路的正极连接，供电与通讯防水接口P1的GND2引脚分别与数据存储计算机U0的GND引脚、充电模块U1的Gnd引脚和第一继电器K1控制回路的负极连接；所述的充电模块U1的Vout+引脚连接至蓄电池BT1的BVCC端，充电模块U1的Vout-引脚连接至蓄电池BT1的BGND端；所述的第一二极管D1并联在第一继电器K1的控制回路；所述的电源分配模块U2的输入端VIN引脚与充电防水接口P2连接，电源分配模块U2的输入端GND引脚分别与蓄电池BT1的BGND端和浮标控制器U4的Gnd引脚连接，电源分配模块U2的输入端CTL控制引脚与第一继电器K1的常开触点的一端连接，第一继电器K1的常开触点的另一端与蓄电池BT1的BGND端连接；电源分配模块U2的输出端BGND引脚与北斗定位与通讯模块U3的Gnd引脚连接，电源分配模块U2的输出端V2引脚分别与浮标控制器U4的Vcc引脚和三极管Q1的集电极连接，电源分配模块U2的输出端V1引脚分别与压力传感器P3的正极、北斗定位与通讯模块U3的Vcc引脚和第二继电器K2输出回路的一端连接，第二继电器K2输出回路的另一端与缆绳释放电磁铁P4的正极连接，缆绳释放电磁铁P4的负极与蓄电池BT1的BGND端连接；

所述的北斗定位与通讯模块U3的串行通讯数据发送引脚Txd与浮标控制器U4的数据接收引脚Rxd连接，北斗定位与通讯模块U3的数据接收引脚Rxd与浮标控制器U4的数据发送引脚Txd连接；所述的复合天线P5与北斗定位与通讯模块U3的Send引脚和Receive引脚连接；所述的浮标控制器U4的I/O-1引脚与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的发射极与第二继电器K2控制回路的一端连接，第二继电器K2控制回路的另一端与蓄电池BT1的BGND端连接；第二继电器K2控制回路的BGND端与第二二极管D2的正极连接，第二二极管D2的负极与三极管Q1的基极连接；在蓄电池BT1的BVCC端和BGND端之间串联有电阻R1和电阻R2，浮标控制器U4的ADC1_0引脚连接至电阻R1和R2之间；所述的压力传感器P3的负极与蓄电池BT1的BGND端连接，压力传感器P3的信号输出引脚与浮标控制器U4的ADC1_1引脚连接；

在无人潜航器上部设有浮标释放电磁铁P8和UUV供电与通讯防水接口P7，无人潜航器内部设有UUV主控单元和储线舱；所述的浮标耐压舱下表面通过铁板吸附在浮标释放电磁铁P8上；所述的储线舱中设有缆绳，缆绳的一端固定在储线舱内，另一端通过铁块吸附在缆绳释放电磁铁P4上；所述的UUV主控单元包括主控制器、第一电源、第二电源、第三二极管D3、双刀单掷继电器K3；所述的双刀单掷继电器K3的控制回路与主控制器连接，双刀单掷继电器K3的第一静触点与第一电源的正极PVCC1连接，双刀单掷继电器K3的第一动触点与浮标释放电磁铁P8连接，双刀单掷继电器K3的第二静触点与第二电源的正极PVCC2连接，双刀单掷继电器K3的第二动触点与UUV供电与通讯防水接口P7的VCC2引脚连接；所述的第三二极管D3并联在双刀单掷继电器K3的控制回路上。

2.基于权利要求1所述的一种带有应急自救浮标的无人潜航器的一种带有应急自救浮标的无人潜航器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在无人潜航器下水工作之前，连接UUV供电与通讯防水接口P7和充电防水接口P2，UUV主控单元中的双刀单掷继电器K3的第二静触点闭合，通过第二电源为浮标中的蓄电池BT1充电，充电结束后使用防水堵头堵住充电防水接口P2；

步骤2：在无人潜航器正常工作时，连接UUV供电与通讯防水接口P7和供电与通讯防水接口P1，UUV主控单元中的双刀单掷继电器K3的两个动触点均闭合，第一电源为浮标释放电磁铁P8供电，浮标释放电磁铁P8提供的吸附力大于浮标自身的浮力，使浮标不能脱离无人潜航器上浮；第二电源为浮标耐压舱供电，浮标耐压舱内的数据存储计算机U0保持工作状态，充电模块U1为蓄电池BT1充电；第一继电器K1控制回路的触点闭合，电源分配模块U2的输入端CTL控制引脚与蓄电池BT1的BGND端连接，使电源分配模块U2不工作；

步骤3：当无人潜航器出现故障且主控单元主控制器执行自救程序失败，需要外界救援时，UUV主控单元中的主控制器向浮标耐压舱内数据存储计算机U0最后传递状态信息，双刀单掷继电器K3的两个动触点均断开，浮标释放电磁铁P8失电消磁，浮标携带缆绳上浮；若无人潜航器发生严重故障导致主控制器无法工作时，双刀单掷继电器K3的控制回路同样失电，导致双刀单掷继电器K3输出回路的两个动触点均断开，使浮标携带缆绳上浮；

步骤4：浮标与UUV分离后，存储与供电单元的数据存储计算机U0停止工作，充电模块U1停止为蓄电池BT1充电，第一继电器K1的控制回路失电，第一继电器K1的常开式触点断开，使电源分配模块U2的输入端CTL控制引脚悬空，电源分配模块U2开始工作并为应急控制单元供电；应急控制单元的压力传感器P3、浮标控制器U4开始工作，开始计时并定时采样压力传感器P3的AD2信号和蓄电池BT1的分压AD1信号；

若浮标上浮的时间超过预先设定值，且压力传感器P3测量的压力值大于预设的出水压力值，则说明浮标所带缆绳长度小于无人潜航器失事的深度，浮标不能按时浮出到水面，此时浮标控制器U4控制器的I/O-1引脚输出高电平至少5秒钟，借助三极管Q1使第二继电器K2控制回路的常开触点闭合，进而使缆绳释放电磁铁P4上电，缆绳释放电磁铁P4通电后消磁，不再吸附带缆绳的铁块，使浮标抛弃铁块及缆绳；

若压力传感器P3测量的压力值小于预设的出水压力值，则说明浮标已经浮出到水面上，浮标开始通过北斗定位与通讯模块和复合天线，以一定时间间隔发送含自身定位信息的求救信号；若浮标控制器U4检测蓄电池BT1的分压值小于预设值，则说明蓄电池剩余电量不多，浮标控制器U4降低求救信号发送频率以延长工作时间。

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