CN114148495A - 双功能无人潜航器模式切换方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双功能无人潜航器模式切换方法及装置，涉及无人潜航器技术领域，该方法包括：潜航器在滑翔航行模式中，打开MEMS传感器电源，选择MEMS传感器作为导航数据源；收到模式切换信号后，打开光纤惯导、DVL和GPS电源，光纤惯导自动进入对准状态，MEMS传感器保持打开且继续作为导航数据源，潜航器进入近水面定深直航状态；在光纤惯导完成对准后，关闭MEMS传感器和GPS电源，保持光纤惯导和DVL打开，将导航数据源从MEMS传感器切换为光纤惯导，潜航器进入水下定深直航模式。该方法通过增加近水面定深直航状态，使得潜航器处于动稳定状态，更加利于光纤惯导进行高精度的对准。

Description

双功能无人潜航器模式切换方法及装置

技术领域

本发明涉及无人潜航器技术领域，尤其是一种双功能无人潜航器模式切换方法及装置。

背景技术

目前的无人潜航器技术中，水下滑翔器因其所特有的低速滑翔时的低功耗、长航程优势，适合执行长时间大范围海洋环境探测和监测作业，但是其特殊的驱动方式导致了其只能在水体进行低航速的“之”字形的滑翔运动，而不能像AUV一样进行高航速的直线运动。在水下滑翔器的尾部增加推进器的方式来使得水下滑翔器即能够进行“之”字形的滑翔运动又能够进行直线运动，这样诞生出一种新的双功能潜航器，这种潜航器具备两种作业模式，一种是滑翔运动模式，另一种是水下定深直航运动模式。现有的双功能无人潜航器在进行滑翔模式向定深直航模式切换时会存在光纤设备启动精度不够的问题。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种双功能无人潜航器模式切换方法及装置，本发明的技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种双功能无人潜航器模式切换方法。该方法包括：

潜航器在滑翔航行模式中，利用电源切换单元打开MEMS传感器电源，利用数据切换单元选择MEMS传感器作为导航数据源；

在收到模式切换信号后，利用电源切换单元打开光纤惯导、DVL和GPS电源，光纤惯导自动进入对准状态，MEMS传感器电源保持打开且继续作为导航数据源，潜航器进入近水面定深直航状态；

在光纤惯导完成对准后，利用电源切换单元关闭MEMS传感器和GPS电源，保持光纤惯导和DVL电源打开；利用数据切换单元将导航数据源从MEMS传感器切换为光纤惯导，潜航器进入水下定深直航模式。

其进一步的技术方案为，方法还包括：通过DVL获取潜航器速度信息，通过GPS获取潜航器位置信息。

其进一步的技术方案为，光纤惯导自动进入对准状态，包括：光纤惯导通过持续获取DVL提供的潜航器速度信息和GPS提供的潜航器位置信息来进行对准。

其进一步的技术方案为，方法还包括：

通过MEMS传感器采集潜航器航向角、纵倾角和横倾角信息；通过深度计采集潜航器深度信息；通过垂直舵机控制潜航器航向；通过水平舵机控制潜航器深度。

其进一步的技术方案为，方法还包括：

潜航器进入水下定深直航模式后，通过光纤惯导确定潜航器航向、纵倾角、横倾角和位置信息；光纤惯导通过持续获取深度计提供的潜航器深度信息和DVL提供的潜航器速度信息来确定位置信息。

第二方面，本发明还提供了一种双功能无人潜航器模式切换装置。该装置包括MEMS传感器、光纤惯导、DVL、GPS、数据切换单元、电源切换单元和电压供应单元；数据切换单元包括第一切换开关，电源切换单元包括若干个第一切换开关和第二切换开关；数据切换单元连接MEMS传感器和光纤惯导，用于控制MEMS传感器和光纤惯导的信号切换；电源切换单元连接MEMS传感器、光纤惯导、DVL和GPS，用于控制MEMS传感器、光纤惯导、DVL和GPS的电源切换；电压供应单元用于为装置提供电源电压。

其进一步的技术方案为，数据切换单元包括2个单通道双输出切换继电器，第一单通道双输出切换继电器的两个输出端分别连接MEMS传感器和光纤惯导的第一数据传输口；第二单通道双输出切换继电器的两个输出端分别连接MEMS传感器和光纤惯导的第二数据传输口；第一、第二单通道双输出切换继电器的第一输入端连接电压供应单元的正极端，第一、第二单通道双输出切换继电器的第二输入端通过第一切换开关与电压供应单元的负极端连接。

其进一步的技术方案为，电源切换单元包括3个双通道双输出切换继电器，第一双通道双输出切换继电器的第一输出端和第二输出端连接电压供应单元的正极端，第三输出端连接MEMS传感器的电源正极端，第四输出端同时连接光纤惯导和DVL的电源正极端；第二双通道双输出切换继电器的第一输出端和第二输出端连接电压供应单元的负极端，第三输出端连接MEMS传感器的电源负极端，第四输出端同时连接光纤惯导和DVL的电源负极端；第三双通道双输出切换继电器的第一输出端连接电压供应单元的正极端，第二输出端连接电压供应单元的负极端，第三输出端连接GPS的电源正极端，第四输出端连接GPS的电源负极端；第一至第三双通道双输出切换继电器的公共输入端连接电压供应单元的正极端；第一、第二双通道双输出切换继电器的第一输入端通过第一切换开关与电压供应单元的负极端连接，第一、第二双通道双输出切换继电器的第二输入端通过第二切换开关与电压供应单元的负极端连接；第三双通道双输出切换继电器的两个输入端通过串联的第二切换开关和第一切换开关与电压供应单元的负极端连接。

其进一步的技术方案为，第一切换开关和第二切换开关根据接收到的潜航器控制器发出的切换信号控制数据切换单元和电源切换单元实现模式切换。

其进一步的技术方案为，当潜航器处于滑翔航行模式时，第一切换开关打开，第二切换开关关闭，电源切换单元选择MEMS传感器，数据切换单元选择MEMS传感器；当潜航器控制器发出从滑翔航行模式切换为近水面定深直航模式的信号后，第一切换开关打开，第二切换开关打开，电源切换单元选择MEMS传感器、光纤惯导、DVL和GPS，数据切换单元选择MEMS传感器；当潜航器控制器发出从近水面定深直航模式切换为水下定深直航模式的信号后，第一切换开关关闭，第二切换开关打开，电源切换单元选择光纤惯导和DVL，数据切换单元选择光纤惯导。

本发明的有益技术效果是：

本发明公开了一种双功能无人潜航器模式切换方法及装置，该方法通过增加切换中间态，即近水面定深直航状态，使得潜航器处于动稳定状态，更加利于潜航器在从滑翔模式切换到水下定深直航模式过程中的光纤惯导设备进行高精度的对准；同时，通过两种模式下不同传感器的数据流切换，不同模式使用不同传感器既满足了使用要求又降低了功耗。此外，该装置不仅能够同时适应MEMS传感器、光纤惯导、DVL、GPS等多部件的电源、数据切换工作，而且减少了控制输入口的数量。

附图说明

图1为一个实施例中的双功能无人潜航器模式切换方法的流程示意图。

图2为一个实施例中的双功能无人潜航器滑翔模式的数据流图。

图3为一个实施例中的双功能无人潜航器近水面定深直航模式的数据流图。

图4为一个实施例中的双功能无人潜航器水下定深直航模式的数据流图。

图5为一个实施例中的双功能无人潜航器模式切换装置的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种双功能无人潜航器模式切换方法。本实施例中，该方法包括以下步骤：

步骤102，潜航器在滑翔航行模式中，利用电源切换单元打开MEMS传感器电源，利用数据切换单元选择MEMS传感器作为导航数据源。

具体的，在滑翔过程中，潜航器利用数据切换单元将导航数据源选择为MEMS传感器，利用电源切换单元将电压供应单元提供的电压输出给MEMS传感器，使其处于上电打开状态；潜航器主要利用深度、MEMS传感器的航向角、纵横倾角信息进行上浮下潜运动。

步骤104，在收到模式切换信号后，利用电源切换单元打开光纤惯导、DVL和GPS电源，光纤惯导自动进入对准状态，MEMS传感器电源保持打开且继续作为导航数据源，潜航器进入近水面定深直航状态。

具体的，在收到模式切换信号后，潜航器利用数据切换单元依然保持导航数据源为MEMS传感器，利用电源切换单元将电压供应单元提供的电压同时输出给MEMS传感器、光纤惯导、DVL和GPS，使其处于上电打开状态；为了保证能够持续收到GPS信息，潜航器利用深度、MEMS传感器的航向角、纵横倾角信息进行近水面进行定深直航；在潜航器保持近水面定深直航状态的过程中，光纤惯导自打开后就自动进入对准状态。由于在光纤惯导未完成对准前，光纤惯导的数据还不能够使用，其相关信息不输入到潜航器控制器中，因此导航数据源依然选择MEMS传感器。

步骤106，在光纤惯导完成对准后，利用电源切换单元关闭MEMS传感器和GPS电源，保持光纤惯导和DVL电源打开；利用数据切换单元将导航数据源从MEMS传感器切换为光纤惯导，潜航器进入水下定深直航模式。

具体的，在光纤惯导完成对准后，潜航器开始进入水下定深直航模式，利用数据切换单元将导航数据源切换为光纤惯导，光纤惯导的航向、姿态、位置等信息输入到潜航器控制器中；利用电源切换单元断开MEMS传感器和GPS的电源，光纤惯导依然保持上电打开状态；潜航器利用深度、光纤惯导的航向角、纵横倾角、位置信息进行高精度的水下定深直航。

在一个实施例中，方法还包括：通过DVL获取潜航器速度信息，通过GPS获取潜航器位置信息。

在一个实施例中，光纤惯导自动进入对准状态，包括：光纤惯导通过持续获取DVL采集的速度信息和GPS采集的位置信息来进行对准。

在一个实施例中，方法还包括：通过MEMS传感器采集潜航器航向角、纵倾角和横倾角信息；通过深度计采集潜航器深度信息；通过垂直舵机控制潜航器航向；通过水平舵机控制潜航器深度。

在一个实施例中，方法还包括：潜航器进入水下定深直航模式后，通过光纤惯导确定潜航器航向、纵倾角、横倾角和位置信息；光纤惯导通过持续获取深度计提供的潜航器深度信息和DVL提供的潜航器速度信息来确定位置信息。

对于上述实施例提供的切换方法，图2至图4分别给出了双功能无人潜航器处于三种航行模式时的数据流图。

如图2所示，潜航器在初始状态，即处于滑翔模式时，主要有一条数据流，需要三种设备带电工作，分别是：深度计，用于提供潜航器深度数据；MEMS传感器，用于提供潜航器航向、纵倾角、横倾角数据；垂直舵，用于提供潜航器舵角数据并控制航向。这些数据都集中流向给潜航器控制器使用。

如图3所示，潜航器在中间状态，即处于近水面定深直航模式时，主要有两条数据流，即滑翔和水下直航所使用的设备需要同时带电。在该状态下进行航行时，潜航器控制器主要是利用滑翔时所使用的设备进行控制航行，分别是：利用深度计获得深度信息，利用MEMS传感器获得潜航器航向、纵倾角、横倾角数据，利用垂直舵获得潜航器舵角数据并控制航向，利用水平舵获得舵角数据并控制深度。另外，该状态下还有三种设备带电工作，分别是：用于提供潜航器速度信息的DVL、用于提供潜航器位置信息的GPS以及光纤惯导，DVL和GPS所获取的数据信息都集中流向光纤惯导，给其对准使用。

如图4所示，潜航器在最终状态，即处于水下定深直航模式时，也具有两条数据流。该状态下关闭滑翔模式和近水面定深直航模式时所需要的MEMS传感器和GPS，需要带电工作的设备分别是光纤惯导、DVL、深度计、垂直舵和水平舵。一条数据流为：深度计，其提供潜航器深度数据；光纤惯导，其提供潜航器航向、纵倾角、横倾角以及位置数据；DVL，其提供速度数据，垂直舵，其提供潜航器舵角数据用于控制航向，水平舵，提供舵角数据用于控制深度；这些数据都集中流向给潜航器控制器使用。另一条数据流为：深度计所提供的潜航器深度数据和DVL所提供的速度数据均流向光纤惯导，为其提供持续位置数据使用。

在另一个实施例中，如图5所示，提供了一种双功能无人潜航器模式切换装置，用于实现上述实施例的双功能无人潜航器模式切换方法。

该装置包括MEMS传感器、光纤惯导、DVL、GPS、数据切换单元、电源切换单元和电压供应单元；数据切换单元包括第一切换开关CR1，电源切换单元包括若干个第一切换开关CR1和第二切换开关CR2；数据切换单元连接MEMS传感器和光纤惯导，用于控制MEMS传感器和光纤惯导的信号切换；电源切换单元连接MEMS传感器、光纤惯导、DVL和GPS，用于控制MEMS传感器、光纤惯导、DVL和GPS的电源切换；电压供应单元用于为装置提供电源电压，可选的，电压供应单元提供的电源电压为24V。

在一个实施例中，如图5所示，数据切换单元包括2个单通道双输出切换继电器，第一单通道双输出切换继电器JC1的两个输出端分别连接MEMS传感器和光纤惯导的第一数据传输口；第二单通道双输出切换继电器JC2的两个输出端分别连接MEMS传感器和光纤惯导的第二数据传输口；第一、第二单通道双输出切换继电器JC1、JC2的第一输入端连接电压供应单元的正极端，第一、第二单通道双输出切换继电器JC1、JC2的第二输入端通过第一切换开关CR1与电压供应单元的负极端连接。

具体的，数据切换单元包括第一单通道双输出切换继电器JC1和第二单通道双输出切换继电器JC2。继电器JC1的输出引脚OUT1连接MEMS传感器的TXD引脚，输出脚OUT2连接光纤惯导的TXD引脚，公共输出引脚COM1对外输出连接到潜航器控制器的MRXD引脚；继电器JC2继电器的输出引脚OUT1连接MEMS传感器的RXD引脚，输出引脚OUT2连接光纤惯导的RXD引脚，公共输出引脚COM1对外输出连接到潜航器控制器的MTXD引脚。继电器JC1、JC2的输入引脚IN1连接到电压供应单元的正极引脚上，JC1，JC2继电器的输入引脚IN2通过第一切换开关CR1与电压供应单元的正极引脚连接。这样光纤惯导和MEMS传感器的数据通过两个继电器的切换作用实现信号切换。

在一个实施例中，如图5所示，电源切换单元包括3个双通道双输出切换继电器，第一双通道双输出切换继电器JT1的第一输出端和第二输出端连接电压供应单元的正极端，第三输出端连接MEMS传感器的电源正极端，第四输出端同时连接光纤惯导和DVL的电源正极端；第二双通道双输出切换继电器JT2的第一输出端和第二输出端连接电压供应单元的负极端，第三输出端连接MEMS传感器的电源负极端，第四输出端同时连接光纤惯导和DVL的电源负极端；第三双通道双输出切换继电器JT3的第一输出端连接电压供应单元的正极端，第二输出端连接电压供应单元的负极端，第三输出端连接GPS的电源正极端，第四输出端连接GPS的电源负极端；第一至第三双通道双输出切换继电器JT1～JT3的公共输入端连接电压供应单元的正极端；第一、第二双通道双输出切换继电器JT1、JT2的第一输入端通过第一切换开关CR1与电压供应单元的负极端连接，第一、第二双通道双输出切换继电器JT1、JT2的第二输入端通过第二切换开关CR2与电压供应单元的负极端连接；第三双通道双输出切换继电器JT3的两个输入端通过串联的第二切换开关CR2和第一切换开关CR1与电压供应单元的负极端连接。

具体的，电源切换单元包括3个双通道双输出切换继电器JT1、JT2和JT3，继电器JT1的两个输出引脚AOUT1、BOUT1连接到电压供应单元的正极引脚上，输出引脚AOUT2连接到MEMS传感器的电源正极引脚上，输出引脚BOUT2同时连接到光纤惯导和DVL的电源正极引脚上；继电器JT2的两个输出引脚AOUT1、BOUT1相互连接到电压供应单元的负极引脚上，输出引脚AOUT2连接到MEMS传感器的电源负极引脚上，输出引脚BOUT2同时连接到光纤惯导和DVL的电源负极引脚上；继电器JT3的输出引脚AOUT1连接到电压供应单元的正极引脚上，输出引脚BOUT1连接到电压供应单元的负极引脚，输出引脚AOUT2连接到GPS的电源正极引脚上，输出引脚BOUT2连接到GPS的电源负极引脚上。继电器JT1～JT3的公共输入引脚COM1连接到电压供应单元的正极引脚上；继电器JT1、JT2的输入引脚IN1通过第一切换开关CR1与电压供应单元的负极引脚连接，输入引脚IN2通过第一切换开关CR1与电压供应单元的负极引脚连接；继电器JT3的输入引脚IN1、IN2通过串联的第二切换开关CR2和第一切换开关CR1与电压供应单元的负极引脚连接。

在一个实施例中，第一切换开关CR1和第二切换开关CR2根据接收到的切换信号控制数据切换单元和电源切换单元实现模式切换。

在一个实施例中，当潜航器处于滑翔航行模式时，第一切换开关CR1打开，第二切换开关CR2关闭，电源切换单元选择打开MEMS传感器，数据切换单元选择MEMS传感器；当潜航器控制器发出从滑翔航行模式切换为近水面定深直航模式的信号后，第一切换开关CR1打开，第二切换开关CR2打开，电源切换单元选择打开MEMS传感器、光纤惯导、DVL和GPS，数据切换单元选择MEMS传感器；当潜航器控制器发出从近水面定深直航模式切换为水下定深直航模式的信号后，第一切换开关CR1关闭，第二切换开关CR2打开，电源切换单元继续保持光纤惯导和DVL打开，关闭MEMS传感器和GPS，数据切换单元选择光纤惯导。

具体的，表1给出了不同模式下对应的开关信号以及对应的导航数据源以及电源打开的设备，从表中可以看出对应于潜航器3种不同的航行模式，通过控制开关信号不同的开合方式实现导航数据源和电源打开设备的切换。

表1潜航器不同航行模式对应的开关信号以及对应的数据以及电源设备

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双功能无人潜航器模式切换方法，其特征在于，所述方法包括：

潜航器在滑翔航行模式中，利用电源切换单元打开MEMS传感器电源，利用数据切换单元选择所述MEMS传感器作为导航数据源；

在收到模式切换信号后，利用所述电源切换单元打开光纤惯导、DVL和GPS电源，所述光纤惯导自动进入对准状态，所述MEMS传感器电源保持打开且继续作为导航数据源，所述潜航器进入近水面定深直航状态；

在所述光纤惯导完成对准后，利用所述电源切换单元关闭所述MEMS传感器和GPS电源，保持所述光纤惯导和DVL电源打开；利用所述数据切换单元将导航数据源从所述MEMS传感器切换为所述光纤惯导，所述潜航器进入水下定深直航模式。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：通过所述DVL获取潜航器速度信息，通过所述GPS获取潜航器位置信息。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述光纤惯导自动进入对准状态，包括：所述光纤惯导通过持续获取所述DVL提供的潜航器速度信息和所述GPS提供的潜航器位置信息来进行对准。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过所述MEMS传感器采集潜航器航向角、纵倾角和横倾角信息；通过深度计采集潜航器深度信息；通过垂直舵机控制潜航器航向；通过水平舵机控制潜航器深度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述潜航器进入水下定深直航模式后，通过所述光纤惯导确定潜航器航向、纵倾角、横倾角和位置信息；所述光纤惯导通过持续获取深度计提供的潜航器深度信息和所述DVL提供的潜航器速度信息来确定位置信息。

6.一种双功能无人潜航器模式切换装置，其特征在于，所述装置包括MEMS传感器、光纤惯导、DVL、GPS、数据切换单元、电源切换单元和电压供应单元；所述数据切换单元包括第一切换开关，所述电源切换单元包括若干个第一切换开关和第二切换开关；所述数据切换单元连接所述MEMS传感器和光纤惯导，用于控制所述MEMS传感器和光纤惯导的信号切换；所述电源切换单元连接所述MEMS传感器、光纤惯导、DVL和GPS，用于控制所述MEMS传感器、光纤惯导、DVL和GPS的电源切换；所述电压供应单元用于为所述装置提供电源电压。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述数据切换单元包括2个单通道双输出切换继电器，第一单通道双输出切换继电器的两个输出端分别连接所述MEMS传感器和光纤惯导的第一数据传输口；第二单通道双输出切换继电器的两个输出端分别连接所述MEMS传感器和光纤惯导的第二数据传输口；第一、第二单通道双输出切换继电器的第一输入端连接所述电压供应单元的正极端，所述第一、第二单通道双输出切换继电器的第二输入端通过所述第一切换开关与所述电压供应单元的负极端连接。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述电源切换单元包括3个双通道双输出切换继电器，第一双通道双输出切换继电器的第一输出端和第二输出端连接所述电压供应单元的正极端，第三输出端连接所述MEMS传感器的电源正极端，第四输出端同时连接所述光纤惯导和DVL的电源正极端；第二双通道双输出切换继电器的第一输出端和第二输出端连接所述电压供应单元的负极端，第三输出端连接所述MEMS传感器的电源负极端，第四输出端同时连接所述光纤惯导和DVL的电源负极端；第三双通道双输出切换继电器的第一输出端连接所述电压供应单元的正极端，第二输出端连接所述电压供应单元的负极端，第三输出端连接所述GPS的电源正极端，第四输出端连接所述GPS的电源负极端；第一至第三双通道双输出切换继电器的公共输入端连接所述电压供应单元的正极端；第一、第二双通道双输出切换继电器的第一输入端通过所述第一切换开关与所述电压供应单元的负极端连接，所述第一、第二双通道双输出切换继电器的第二输入端通过所述第二切换开关与所述电压供应单元的负极端连接；所述第三双通道双输出切换继电器的两个输入端通过串联的所述第二切换开关和第一切换开关与所述电压供应单元的负极端连接。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一切换开关和第二切换开关根据接收到的潜航器控制器发出的切换信号控制数据切换单元和电源切换单元实现模式切换。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，当潜航器处于滑翔航行模式时，所述第一切换开关打开，所述第二切换开关关闭，所述电源切换单元选择所述MEMS传感器，所述数据切换单元选择所述MEMS传感器；当潜航器控制器发出从滑翔航行模式切换为近水面定深直航模式的信号后，所述第一切换开关打开，所述第二切换开关打开，所述电源切换单元选择所述MEMS传感器、光纤惯导、DVL和GPS，所述数据切换单元选择所述MEMS传感器；当潜航器控制器发出从近水面定深直航模式切换为水下定深直航模式的信号后，所述第一切换开关关闭，所述第二切换开关打开，所述电源切换单元选择光纤惯导和DVL，所述数据切换单元选择所述光纤惯导。

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