CN112278205A - 一种水下滑翔机电控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下机器人电控系统领域，具体说是一种水下滑翔机电控系统及方法。包括微控制器以及与其连接的运动控制模块、传感器模块、通信定位模块和电源管理模块；微控制器，通过通信定位模块接收基站发送的任务指令，根据任务指令控制相应模块工作；运动控制模块，接收运动指令并执行；传感器模块，检测水下滑翔机所在深度、方向以及探测海水的海洋参数，并储存得到的数据；通信定位模块，对水下滑翔机进行定位，并将传感器模块海洋数据回传基站；电源管理模块，对水下滑翔机供电以及降低水下滑翔机用电功耗。本发明可随时关闭不必要的外设电源以降低功耗，并在上浮过程中进行分级泵油模式，采用微控制器的低功耗模式降低整个系统功耗。

Description

一种水下滑翔机电控系统及方法

技术领域

本发明属于水下机器人电控系统领域，具体说是一种水下滑翔机电控系统及方法。

背景技术

水下滑翔机是一种新型的无人水下机器人，是现代海洋环境观测和资源探测的重要工具，水下滑翔机由于具有低功耗、高静音、较低的生产成本和维护成本、自动化程度高等特点，非常适合长期脱离母船，大范围、长距离的进行集群海上观测。水下滑翔机以有限的电池作为能耗来源，实现浮力的变化、姿态的调节、科学数据的采集和信息的传递，这使得能量成为决定其在海上持续工作的时间和滑行距离的决定因素，考虑到水下滑翔机的体积和重量有限，额外添加电池并不是提高其性能的理想方法，因此低功耗技术对于提高长航程水下滑翔机具有重要意义。

发明内容

本发明目的是提供一种水下滑翔机电控系统及方法，通过逻辑控制器根据采集到的负载电流，根据不同的负载电流下，改变不同的频率，进而保证长航程水下滑翔机在海上以更低的功耗航行以达到更长时间、更远距离的航行。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种水下滑翔机电控系统，包括微控制器以及与其连接的运动控制模块、传感器模块、通信定位模块和电源管理模块；

所述微控制器，用于通过通信定位模块接收基站发送的任务指令，并根据任务指令控制运动控制模块、通信定位模块以及传感器模块工作；

所述运动控制模块，用于接收微控制器的运动指令并执行，实现下潜、上浮以及姿态与航向的调整；

所述传感器模块，用于检测水下滑翔机所在深度、方向以及探测海水的海洋参数，并储存得到的数据；

所述通信定位模块，用于对水下滑翔机进行定位，并将传感器模块储存的海洋数据回传给基站；

所述电源管理模块，用于对水下滑翔机供电以及降低水下滑翔机用电功耗。

所述电源管理模块，包括电源输入端、电源输出端、逻辑控制器、电流负载检测电路、电压比较器、降压式变换电路和电压输出采样电路；

所述电源输入端通过电流负载检测电路与逻辑控制器第一输入端连接，所述逻辑控制器，用于通过电流负载检测电路采集负载电流；

所述逻辑控制器输出端经降压式变换电路与电源输出端连接，所述电源输出端接入电压输出采集电路，电压输出采集电路包括两个串联的电阻，电阻之间结点通过电阻分压方式得到采集的电压传输至电压比较器输入端，与基准电压的比较结果输出至逻辑控制器的第二输入端。

所述降压式变换电路，包括MOSFTE驱动器A、MOSFTE驱动器B、NMOS管A、NMOS管B、二极管、电容和电感；

所述逻辑控制器的第一输出端和第二输出端分别接入MOSFTE驱动器A的输入端和MOSFTE驱动器B的输入端；所述MOSFTE驱动器A的输出端与NMOS管A的栅极连接，所述MOSFTE驱动器B的输出端与NMOS管B的栅极连接，所述NMOS管A的源极接地，漏极与NMOS管B的源极连接，使电流从NMOS管A的漏极流向NMOS管B的源极，实现同步降压，所述NMOS管B的源极通过电感与电源输出端连接；

所述逻辑控制器第三输出端经二极管、电容及电感与电源输出端连接。

所述逻辑控制器，用于根据第一输入端得到的电流信号、比较器输出的比较结果对降压式变换电路进行控制：

当采集的电压大于基准电压时，逻辑控制器减小脉宽调制占空比，进而减小输出电压；

当采集的电压小于等于基准电压时，逻辑控制器增大脉宽调制占空比，进而增大输出电压；

所述逻辑控制器根据采集到的负载电流，根据不同的负载电流下，改变不同的频率。

所述传感器模块包括处理器以及与其连接的CTD、深度计、电子罗盘、处理器、存储器和RTC闹钟；所述处理器与微控制器连接。

一种水下滑翔机电控方法，包括以下步骤：

(1)微控制器判断水下滑翔机是否处于通信模式，若水下滑翔机处于通信模式，微控制器控制通信定位模块将传感器模块储存的海洋数据回传给基站，等待基站下发执行任务指令；否则，微控制器判定水下滑翔机正在执行任务；

(2)微控制器接收到基站任务指令后，水下滑翔机执行任务，关闭通信定位模块，向水下滑翔机内部注油，进行下潜；

下潜过程中，微控制器控制传感器模块开始工作，进行海洋数据采集；

(3)当水下滑翔机下潜到达设定深度时，水下滑翔机调整浮力，改变姿态，开始执行向上滑行动作，此时，电源管理模块运行，进而降低水下滑翔机的功耗；

向上滑行过程中，微控制器继续控制传感器模块工作，进行海洋数据采集；

(4)判断水下滑翔机是否到达水面，若到达水面，任务结束，则与基站进行通信，数据回传，等待下次任务指令下发。

所述步骤(3)中水下滑翔机改变姿态，调整浮力，开始进行向上滑行动作，具体为：

当水下滑翔机达到设定深度时，水下滑翔机多次调整浮力，使水下滑翔机浮力增大，实时判断当前上浮速度是否小于设定速度，若当前上浮速度小于设定速度则继续向外排油，再次检测上浮速度；反之，上浮速度大于设定速度，则继续进行向上滑行。

步骤(3)中所述电源管理模块运行，进而降低水下滑翔机的功耗，具体包括以下步骤：

1)直流电源经电流负载检测电路检测当前负载电流，逻辑控制器实时采集负载电流；

2)直流电压通过逻辑控制器后，经降压式变换电路降压后输出，电压输出采样电路将采样的输出电压至传输至电压比较器进行比较，输出给逻辑控制器，逻辑控制器输出不同的脉宽调制占空比实现电压的闭环调节以输出恒定的电压；

3)逻辑控制器实时采集的负载电流，控制相对应的调制模式。

所述步骤3)中，逻辑控制器根据AD采集模块实时采集的电流负载情况，控制相对应的调制模式，具体为：

当逻辑控制器接收的负载电流大于设定值时，逻辑控制器以脉宽调制模式输出分别通过MOSFET驱动器A和MOSFET驱动器A以对应驱动NMOS管A和驱动NMOS管B；

当逻辑控制器接收的电流负载小于或等于设定值时，逻辑控制器以脉冲调制模式输出分别通过MOSFET驱动器A和MOSFET驱动器B以对应驱动NMOS管A和驱动NMOS管B。

所述下潜过程中和向上滑行过程中，传感器模块开始工作，进行海洋数据采集，具体为：

当下潜和向上滑行航向发生调节，采集得到的数据进行储存，传感器模块中处理器进入待机状态，并设置与处理器连接的RTC的闹钟进入闹钟模式；

当RTC闹钟到时，处理器被唤醒，读取待机前状态，进行下一次的数据采集和航向调节，直至任务执行完毕。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明采用低功耗微控制系统，其电源管理模块具有可变模式直流-直流变换电源，使得可以在水下滑翔机在大负载和小负载时，直流-直流变换电源都具有较高的转换效率，而且可对所有外设进行电源管理，可以控制所有外设的电源。

2.本发明的低功耗控制方法中，在整个工作流程过程中，随时关闭不必要的外设电源以降低功耗，并在上浮过程中进行分级泵油模式，在下潜和上浮过程中采用微控制器的低功耗模式使整个系统处于非常低的功耗模式。

附图说明

图1为本发明的系统硬件框图；

图2为本发明电源管理模块的电路原理图；

图3为本发明水下滑翔机控制流程图；

图4为本发明处理器控制流程图。

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，为本发明的系统硬件框图，本发明包括微控制器以及与其连接的运动控制模块、传感器模块、通信定位模块和电源管理模块；

微控制器，用于通过通信定位模块接收基站发送的任务指令，并根据任务指令控制运动控制模块、通信定位模块以及传感器模块工作；

运动控制模块，用于接收微控制器的运动指令并执行，实现下潜、上浮以及姿态与航向的调整；运动控制模块主要包括浮力电机、俯仰电机、横滚电机及其电位计和电磁阀等，低功耗处理器通过控制运动控制模块实现滑翔机的下潜、上浮以及姿态与航向的保持。

传感器模块，用于检测水下滑翔机所在深度、方向以及探测海水的海洋参数，并储存得到的数据；

通信定位模块，用于对水下滑翔机进行定位，并将传感器模块储存的海洋数据回传给基站；通信定位模块主要包括无线电和铱星通信，作为滑翔机数据的通信的媒介，通过GPS进行滑翔机的定位，此部分可以通过电源控制模块2实现电源的开通与关断。

电源管理模块，用于对水下滑翔机供电以及降低水下滑翔机用电功耗。

电源管理模块主要的功能包括三个方面，第一是直流电源的转换为系统的各个部分进行供电，第二是系统的电压与电流检测以实时检测系统的是否正常运行，第三是对各个部分的供电进行管理，随时关闭系统中不必要的外设的电源，以减小滑翔机系统的功耗。

本发明中采用锂电池组供电，通过电源管理模块，为各个部分进行供电，包括电压的转换和各个外设的开关等，并采用低功耗微控制器系统作为水下滑翔机的“大脑”，分别控制滑翔机的运动控制模块，应急模块等，通过控制通信定位模块实现滑翔机的通信与定位，通过传感器模块和扩展传感器采集滑翔机必要的传感器信息和科学数据等。

传感器模块包括处理器以及与其连接的CTD、深度计、电子罗盘、处理器、存储器和RTC闹钟；所述处理器与微控制器连接。上述都是滑翔机系统必要的传感器模块，通过微控制器即低功耗处理器可以设置其采集的周期，在不应用时可以关闭其供电电源或设置传感器的低功耗模式。

扩展传感器主要指海洋科学传感器的扩展，通过低功耗处理器可以设置其采集的周期，在不应用时可以关闭其供电电源或设置传感器的低功耗模式。

由于长航程水下滑翔机在调整浮力的过程中是主要的能耗，而其他时间都是能耗消耗比较少的过程，而其能耗的相差非常大，而普通直流变换电源无法在不同数量级都具有较高的能耗效率，因此本发明中设计了电源管理模块，即可变模式直流电源，其原理图如图2所示。

电源管理模块即可变模式直流电源，包括电源输入端、电源输出端、逻辑控制器、电流负载检测电路、电压比较器、降压式变换电路和电压输出采样电路；

电源输入端通过电流负载检测电路与逻辑控制器第一输入端连接，逻辑控制器，用于通过电流负载检测电路采集负载电流；

逻辑控制器输出端经降压式变换电路与电源输出端连接，电源输出端接入电压输出采集电路，电压输出采集电路包括两个串联的电阻，电阻之间结点通过电阻分压方式得到采集的电压传输至电压比较器输入端，与基准电压的比较结果输出至逻辑控制器的第二输入端。

降压式变换电路，包括MOSFTE驱动器A、MOSFTE驱动器B、NMOS管A、NMOS管B、二极管、电容和电感；

逻辑控制器的第一输出端和第二输出端分别接入MOSFTE驱动器A的输入端和MOSFTE驱动器B的输入端；MOSFTE驱动器A的输出端与NMOS管A的栅极连接，MOSFTE驱动器B的输出端与NMOS管B的栅极连接，NMOS管A的源极接地，漏极与NMOS管B的源极连接，使电流从NMOS管A的漏极流向NMOS管B的源极，实现同步降压，NMOS管B的源极通过电感与电源输出端连接；

逻辑控制器第三输出端经二极管、电容及电感与电源输出端连接。

逻辑控制器，用于根据第一输入端得到的电流信号、比较器输出的比较结果对降压式变换电路进行控制：

当采集的电压大于基准电压时，逻辑控制器减小脉宽调制占空比，进而减小输出电压；

当采集的电压小于等于基准电压时，逻辑控制器增大脉宽调制占空比，进而增大输出电压；

逻辑控制器根据采集到的负载电流，根据不同的负载电流下，改变不同的频率。具体如下：

可变模式直流电源通过逻辑控制器通过MOS管驱动器驱动NMOS管以实现降压。通过输出电压的采样与基准电压进行比较输出给逻辑控制器，逻辑控制器输出不同的脉宽调制占空比实现电压的闭环调节以输出恒定的电压。通过电流检测实时检测当前负载，当负载电流大于设定值时，逻辑控制器以脉宽调制模式输出控制降压式变换电路中的NMOS管A、NMOS管B；此时，表示水下滑翔机内部电机工作；当负载小于或等于设定值时，逻辑控制器以脉冲调制模输出控制降压式变换电路中的NMOS管A、NMOS管B；此时，表示内部电机未工作。

上述可以使得水下滑翔机在不同的工作场景时候都保持直流电源变换的高效率，以降低长航程水下滑翔机的功耗。

如图3所示，为本发明的电控方法流程框图，一种水下滑翔机电控方法，包括以下步骤：

(1)微控制器判断水下滑翔机是否处于通信模式，若水下滑翔机处于通信模式，微控制器控制通信定位模块将传感器模块储存的海洋数据回传给基站，等待基站下发执行任务指令；否则，微控制器判定水下滑翔机正在执行任务；

(2)微控制器接收到基站任务指令后，水下滑翔机执行任务，关闭通信定位模块，向水下滑翔机内部注油，进行下潜；

下潜过程中，微控制器控制传感器模块开始工作，进行海洋数据采集；

(3)当水下滑翔机下潜到达设定深度时，水下滑翔机调整浮力，改变姿态，开始执行向上滑行动作，此时，电源管理模块运行，进而降低水下滑翔机的功耗；

向上滑行过程中，微控制器继续控制传感器模块工作，进行海洋数据采集；

(4)判断水下滑翔机是否到达水面，若到达水面，任务结束，则与基站进行通信，数据回传，等待下次任务指令下发。

步骤(3)中水下滑翔机改变姿态，调整浮力，开始进行向上滑行动作，具体为：

当水下滑翔机达到设定深度时，水下滑翔机多次调整浮力，使水下滑翔机浮力增大，实时判断当前上浮速度是否小于设定速度，若当前上浮速度小于设定速度则继续向外排油，再次检测上浮速度；反之，上浮速度大于设定速度，则继续进行向上滑行。

步骤(3)中所述电源管理模块运行，进而降低水下滑翔机的功耗，具体包括以下步骤：

1)直流电源经电流负载检测电路检测当前负载电流，逻辑控制器实时采集负载电流；

2)直流电压通过逻辑控制器后，经降压式变换电路降压后输出，电压输出采样电路将采样的输出电压至传输至电压比较器进行比较，输出给逻辑控制器，逻辑控制器输出不同的脉宽调制占空比实现电压的闭环调节以输出恒定的电压；

3)逻辑控制器根据实时采集的负载电流，控制相对应的调制模式。

步骤3)中，逻辑控制器根据实时采集的电流负载情况，控制相对应的调制模式，具体为：

当逻辑控制器接收的负载电流大于设定值时，逻辑控制器以脉宽调制模式输出分别通过MOSFET驱动器A和MOSFET驱动器B以对应驱动NMOS管A和驱动NMOS管B；

当逻辑控制器接收的电流负载小于或等于设定值时，逻辑控制器以脉冲调制模式输出分别通过MOSFET驱动器A和MOSFET驱动器B以对应驱动NMOS管A和驱动NMOS管B。

长航程水下滑翔机主要有两种工作模式，通信模式和任务执行模式。而水下滑翔机在海上正常工作时，通信模式的时间只占整个工作时间的5％以下，大部分时间都处于任务执行模式，因此滑翔机的主要功耗都消耗在任务执行模式过程中，而任务执行模式的主要功耗是水下滑翔机的下潜和上浮过程浮力的改变，以及滑行过程中俯仰与航向的调节和传感器的采集等。如图3所示，水下滑翔机主控板上电后，经过必要的外设初始化后，进入判断是否当前为通信状态，如果是通信状态，此时水下滑翔机在水面与岸基监控系统进行通信，当岸基系统对水下滑翔机进行任务的下发，滑翔机随后进入任务执行模式，此时系统关闭通信和定位系统，以减小系统功耗，随后启动向内排油，滑翔机进行下潜，滑翔机在下潜过程中采集海洋数据，直到到达设定的深度，当水下滑翔机达到设定深度，滑翔机改变姿态并向外排一定量的油，并检测上浮速度，然后判断上浮速度是否小于设定速度，当速度小于设定速度，再次启动向外排一定量的油，直到滑翔机上浮到水面。水下滑翔机在上浮过程中采用根据速度多次向外排油改变浮力的模式，相比一次性在最深处将滑翔机的浮力调整到最大的模式，可以显著的降低滑翔机在一个剖面过程中的功耗。

如图4所示，为本发明处理器控制流程图，下潜过程中和向上滑行过程中，传感器模块开始工作，进行海洋数据采集，其主要功耗来自于传感器的功耗和处理器的功耗，而传感器都是每隔一段时间采集一些数据，本发明采用处理器的低功耗模式，具体为：

当一次数据采集并调节俯仰航向后，进行当前状态的存储，然后处理器进入待机状态，并设置RTC的闹钟模式进行唤醒，当RTC闹钟到时，处理器唤醒，读取待机前的状态，进行下一次的数据采集和俯仰航向调节，直到完成水下滑翔机的下潜和上浮状态。

Claims (10)

1.一种水下滑翔机电控系统，其特征在于，包括微控制器以及与其连接的运动控制模块、传感器模块、通信定位模块和电源管理模块；

所述微控制器，用于通过通信定位模块接收基站发送的任务指令，并根据任务指令控制运动控制模块、通信定位模块以及传感器模块工作；

所述运动控制模块，用于接收微控制器的运动指令并执行，实现下潜、上浮以及姿态与航向的调整；

所述传感器模块，用于检测水下滑翔机所在深度、方向以及探测海水的海洋参数，并储存得到的数据；

所述通信定位模块，用于对水下滑翔机进行定位，并将传感器模块储存的海洋数据回传给基站；

所述电源管理模块，用于对水下滑翔机供电以及降低水下滑翔机用电功耗。

2.根据权利要求1的一种水下滑翔机电控系统，其特征在于，所述电源管理模块，包括电源输入端、电源输出端、逻辑控制器、电流负载检测电路、电压比较器、降压式变换电路和电压输出采样电路；

所述电源输入端通过电流负载检测电路与逻辑控制器第一输入端连接，所述逻辑控制器，用于通过电流负载检测电路采集负载电流；

所述逻辑控制器输出端经降压式变换电路与电源输出端连接，所述电源输出端接入电压输出采集电路，电压输出采集电路包括两个串联的电阻，电阻之间结点通过电阻分压方式得到采集的电压传输至电压比较器输入端，与基准电压的比较结果输出至逻辑控制器的第二输入端。

3.根据权利要求2的一种水下滑翔机电控系统，其特征在于，所述降压式变换电路，包括MOSFTE驱动器A、MOSFTE驱动器B、NMOS管A、NMOS管B、二极管、电容和电感；

所述逻辑控制器的第一输出端和第二输出端分别接入MOSFTE驱动器A的输入端和MOSFTE驱动器B的输入端；所述MOSFTE驱动器A的输出端与NMOS管A的栅极连接，所述MOSFTE驱动器B的输出端与NMOS管B的栅极连接，所述NMOS管A的源极接地，漏极与NMOS管B的源极连接，使电流从NMOS管A的漏极流向NMOS管B的源极，实现同步降压，所述NMOS管B的源极通过电感与电源输出端连接；

所述逻辑控制器第三输出端经二极管、电容及电感与电源输出端连接。

4.根据权利要求2或3的一种水下滑翔机电控系统，其特征在于，所述逻辑控制器，用于根据第一输入端得到的电流信号、比较器输出的比较结果对降压式变换电路进行控制：

当采集的电压大于基准电压时，逻辑控制器减小脉宽调制占空比，进而减小输出电压；

当采集的电压小于等于基准电压时，逻辑控制器增大脉宽调制占空比，进而增大输出电压；

所述逻辑控制器根据采集到的负载电流，根据不同的负载电流下，改变不同的频率。

5.根据权利要求1的一种水下滑翔机电控系统，其特征在于，所述传感器模块包括处理器以及与其连接的CTD、深度计、电子罗盘、处理器、存储器和RTC闹钟；所述处理器与微控制器连接。

6.一种水下滑翔机电控方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)微控制器判断水下滑翔机是否处于通信模式，若水下滑翔机处于通信模式，微控制器控制通信定位模块将传感器模块储存的海洋数据回传给基站，等待基站下发执行任务指令；否则，微控制器判定水下滑翔机正在执行任务；

(2)微控制器接收到基站任务指令后，水下滑翔机执行任务，关闭通信定位模块，向水下滑翔机内部注油，进行下潜；

下潜过程中，微控制器控制传感器模块开始工作，进行海洋数据采集；

(3)当水下滑翔机下潜到达设定深度时，水下滑翔机调整浮力，改变姿态，开始执行向上滑行动作，此时，电源管理模块运行，进而降低水下滑翔机的功耗；

向上滑行过程中，微控制器继续控制传感器模块工作，进行海洋数据采集；

(4)判断水下滑翔机是否到达水面，若到达水面，任务结束，则与基站进行通信，数据回传，等待下次任务指令下发。

7.根据权利要求6的一种水下滑翔机电控方法，其特征在于，所述步骤(3)中水下滑翔机改变姿态，调整浮力，开始进行向上滑行动作，具体为：

当水下滑翔机达到设定深度时，水下滑翔机多次调整浮力，使水下滑翔机浮力增大，实时判断当前上浮速度是否小于设定速度，若当前上浮速度小于设定速度则继续向外排油，再次检测上浮速度；反之，上浮速度大于设定速度，则继续进行向上滑行。

8.根据权利要求6的一种水下滑翔机电控方法，其特征在于，步骤(3)中所述电源管理模块运行，进而降低水下滑翔机的功耗，具体包括以下步骤：

1)直流电源经电流负载检测电路检测当前负载电流，逻辑控制器实时采集负载电流；

2)直流电压通过逻辑控制器后，经降压式变换电路降压后输出，电压输出采样电路将采样的输出电压至传输至电压比较器进行比较，输出给逻辑控制器，逻辑控制器输出不同的脉宽调制占空比实现电压的闭环调节以输出恒定的电压；

3)逻辑控制器根据实时采集的负载电流，控制相对应的调制模式。

9.根据权利要求8的一种水下滑翔机电控方法，其特征在于，所述步骤3)中，逻辑控制器根据实时采集的电流负载情况，控制相对应的调制模式，具体为：

当逻辑控制器接收的负载电流大于设定值时，逻辑控制器以脉宽调制模式输出分别通过MOSFET驱动器A和MOSFET驱动器B以对应驱动NMOS管A和驱动NMOS管B；

当逻辑控制器接收的电流负载小于或等于设定值时，逻辑控制器以脉冲调制模式输出分别通过MOSFET驱动器A和MOSFET驱动器B以对应驱动NMOS管A和驱动NMOS管B。

10.根据权利要求6的一种水下滑翔机电控方法，其特征在于，所述下潜过程中和向上滑行过程中，传感器模块开始工作，进行海洋数据采集，具体为：

当下潜和向上滑行航向发生调节，采集得到的数据进行储存，传感器模块中处理器进入待机状态，并设置与处理器连接的RTC的闹钟进入闹钟模式；

当RTC闹钟到时，处理器被唤醒，读取待机前状态，进行下一次的数据采集和航向调节，直至任务执行完毕。

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