CN114740789B - 一种支持双工作模式的轻型长航程auv控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海洋仪器控制系统技术领域，具体说是一种轻型长航程AUV的控制系统。本发明涉及控制系统子主要由基础航控板卡和高性能任务规划板卡构成，兼备两种工作模式：低功耗工作模式和高性能工作模式。低功耗工作模式下，高性能任务规划板卡处于关闭状态，控制系统仅基础航控板卡工作，可完成系统基本作业任务。高性能工作模式下，高性能任务规划板卡和基础航控板卡均处于工作状态，此时高性能任务规划板卡与基础航控板卡通过通信接口进行通信协作，可完成系统智能化、大算力需求的作业任务。本发明控制系统以双工作模式为基础，兼顾系统功耗特性、运算能力特性，同时具备结构简单、成本低廉、模块化等特点。

Description

一种支持双工作模式的轻型长航程AUV控制系统

技术领域

本发明涉及海洋仪器控制系统技术领域，具体涉及一种支持双工作模式的轻型长航程AUV控制系统。

背景技术

轻型长航程AUV是一种新型的海洋参数观测、海洋资源探查平台，主要用于大尺度、长时间的海洋工程作业任务。在轻型长航程AUV系统自身构成方面，其通常具备纵倾调节、航向调节、深度调节等运动控制能力、自主导航能力、避碰能力以及通信定位能力。在系统功耗需求方面，其要最大程度降低系统运行功耗。在轻型长航程AUV通信方面，考虑到全球性应用、调试效率以及通信环境，其要满足通信距离、通信带宽适用性。在轻型长航程AUV自主导航能力方面，面向不同作业任务，其导航能力需求不同，要兼顾自主导航系统的导航精度需求和功耗需求。在任务载荷方面，其通常搭载温盐深传感器、海流计、侧扫声纳等不同接口形式、不同通信带宽的传感器，控制系统需要对其数据进行采集、存储、处理及分发。在轻型长航程AUV执行任务方面，其通常具备海洋科学调查、港口安全以及水雷探查等功能，其任务类型不同，系统算力需求、自主导航精度需求亦不同。综上所述，轻型长航程AUV需要一种低功耗的适用于不用作业场景的兼备航行控制能力、任务规划能力、多模式通信能力以及多模式自主导航能力的控制系统。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种支持双工作模式的轻型长航程AUV控制系统。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种支持双工作模式的轻型长航程AUV控制系统，包括：

基础航控板卡，用于在低功耗工作模式下，接收用户通信主机的指令，并基于所述指令对AUV进行基础任务规划、运动控制；以及在高性能工作模式下，接收高性能任务规划板卡发送的控制指令，基于控制指令对AUV进行运动控制；

高性能任务规划板卡，用于在高性能工作模式下，通过基础航控板卡或自身板卡WIFI通信单元接收用户通信主机的指令，对AUV进行扩展任务规划并生成控制指令，通过串口发送给基础航控板卡。

所述基础航控板卡包括：

基础任务规划单元，用于根据用户通信主机的指令，开启或者关闭高性能任务规划板卡，当关闭高性能任务规划板卡时，对AUV进行基础任务规划并生成控制指令，当开启高性能任务规划板卡时，接收高性能任务规划板卡发送的控制指令；

运动控制单元，用于根据控制指令对AUV进行运动控制；

通信单元，用于分别与用户通信主机和高性能任务规划板卡进行通信。

所述基础航控板卡具有SLAVE模式和MASTER模式，根据用户通信主机的指令进行模式间的切换；

所述SLAVE模式下，关闭其基础任务规划功能，接收高性能任务规划板卡发送的控制指令；所述MASTER模式下进行自主任务规划，生成控制指令，并关闭高性能任务规划板卡。

所述通信单元通过无线电、卫星信道和声学信道中的至少一种分别与用户通信主机或高性能任务规划板卡进行通信。

所述高性能任务规划板卡包括：

自主规划单元，用于对AUV进行扩展任务规划并生成控制指令，通过串口发送给基础航控板卡；

通信单元，用于与用户通信主机进行WIFI通信。

所述轻型长航程AUV控制系统具有两套导航系统，包括基础航控板卡中的低功耗导航单元和高性能任务规划板卡中的高精度导航单元，所述低功耗导航单元在系统处于低功耗工作模式下开启并进行工作，所述高精度导航单元在系统处于高性能工作模式开启并进行工作。

所述低功耗导航单元包括电子罗盘、对地速度多普勒测速仪和声学定位信标。

所述高精度导航单元指包括光纤陀螺捷联惯导、对地速度多普勒测速仪和声学定位信标。

所述高精度导航单元包括：光纤陀螺捷联惯导、对地速度多普勒测速仪和声学定位信标。

一种支持双工作模式的轻型长航程AUV控制方法，包括低功耗工作模式以及高性能工作模式，其中：

所述低功耗工作模式下，基础航控板卡独立进行工作，接收用户通信主机的指令，并基于所述指令对AUV进行基础任务规划以及运动控制；

所述高性能工作模式下，基础航控板卡和高性能任务规划板卡同时工作，基础航控板卡关闭其基础任务规划功能，高性能任务规划板卡对AUV进行任务规划生成控制指令，通过串口发送给航行基础航控板卡，基础航控板卡基于控制指令对AUV进行运动控制。

本发明具有以下有益效果及优点：

本发明控制系统兼容两种工作模式，根据作业任务不同，在功耗约束前提下，用户可以选择合适的控制系统工作模式，在保证系统算力的基础上，最大程度可满足系统低功耗特性。另外，基础航控板卡于高性能任务规划板卡关系相对独立又存在依赖，在高性能作业模式下，高性能任务规划板卡对基础航控板卡中的通信定位、运动控制、自主避碰的部分功能进行复用，对轻型长航程AUV控制系统降低硬件成本、优化能耗具有较大益处，利于实现AUV长航程作业特性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为两种工作模式下控制系统子系统工作状态示意图(a为高性能作业模式，b为低功耗作业模式)；

图3为基于软件路由原理的面向双模式控制系统的通信系统原理图；

图4为面向双模式控制系统导航单元构成示意图。

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。

以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。本发明所采用的所有部件均可以参照现有技术实现，例如购买这些硬件设备，并通过查看设备说明书可以实现运行方法，在此不予赘述。本发明并不涉及对方法的改进，改进的是设备之间的电路连接关系。

轻型长航程AUV的控制系统，包括：

兼容两种工作模式的控制系统，低功耗工作模式和高性能工作模式，可实现不同任务算力需求下的AUV独立作业。

所述低功耗工作模式下仅基础航控板卡统进行工作。可实现基础任务规划、运动控制、基础导航、自主避碰、数据存储、健康管理、载荷管理、远程低带宽通信以及定位。

所述低功耗工作模式下AUV控制系统特点包括：

基础航控板卡开启，高性能任务规划板卡关闭，系统运行功耗低。低功耗工作模式可支持AUV实现导航精度要求不高的、算力要求不高的大范围海洋观测作业任务。

所述高性能工作模式下，基础航控板卡与高性能任务规划板卡同时工作，任务规划子系统进行自主任务规划、高精度导航、高性能科学载荷管理、健康管理、数据存储以及近距离高带宽通信，基础航控板卡完成运动控制、自主避碰、远程低带宽通信以及定位，高性能任务规划板卡与基础航控板卡之间通过硬件接口通信。

所述高性能工作模式下AUV控制系统特点包括：

基础航控板卡开启，高性能任务规划板卡开启，系统算力相对较高。高性能工作模式可支持AUV实现高精度自主导航的、对功耗约束宽松的海底地形探测、目标搜寻等作业任务。

所述基础航控板卡一直处于工作开启状态，所述高性能任务规划板卡根据AUV实际任务需求开启。

所述轻型长航程AUV的控制系统还包括：

应急板卡，用于通过串口监控基础航控板卡和高性能任务规划板卡工作状态，若监控到工作状态异常，实现抛载动作。

能源系统，用于给基础航控板卡、高性能任务规划板卡以及应急板卡提供能源。

基于软件路由原理的面向双模式控制系统的通信系统。

所述通信系统围绕航行控制子系统内置软件路由展开，并根据针对性通信协议，实现对无线电、卫星以及声学信道信息进行转发。

所述通信系统特点包括：

面向双工作模式控制系统复用了无线电、卫星以及声学通信硬件，降低了系统硬件成本以及功耗。同时航行控制子系统内置软件路由，与本发明专用通信协议相结合，实现对无线电、卫星以及声学通信信道的信息进行转发。

所述航行控制子系统内置软件路由以及对应的通信协议：

根据控制系统通信需求，本发明设计了一种适用于双模式控制系统的内置软件路以及对应的通信协议，无线电信道、卫星信道通信下，用户通信主机首先将信息下发到基础航控板卡，基础航控板卡内置软件路由，软件路由根据对应的通信协议直接接收指令或者转发到高性能任务规划板卡。这种设计降低了系统硬件成本，提高了系统信息互通性。

面向双工作模式的控制系统导航单元，其在低功耗工作模式下导航单元由相对廉价的电子罗盘、对地速度多普勒测速仪和声学定位信标组成。高性能工作模式下，导航单元由光纤陀螺捷联惯导、对地速度多普勒测速仪和声学定位信标组成。

所述控制系统的导航单元进行了针对性设计包括：

面向双工作模块控制系统的自主导航单元设计，低功耗工作模式下和高性能工作模式下，控制系统通过部分共用传感器的方式分别可实现基础自主导航功能和高精度自主导航。

在低功耗工作模式下，基础航控板卡进行基础导航，其由相对廉价的电子罗盘、对地速度多普勒测速仪和声学定位信标组成，此时导航精度满足于大范围作业，其特点是导航系统功耗较低。

在高性能工作模式下，高性能任务规划板卡进行高精度自主导航，其由光纤陀螺捷联惯导、对地速度多普勒测速仪和声学定位信标组成，此时导航精度适用于海底测绘、目标搜寻等精确作业场景，其特点是导航精度高，但导航功耗相对较高。

面向双工作模式的控制系统导航单元的特点是：

低功耗工作模式下导航精度相对较低，但功耗特性好。高性能工作模式下自主导航精度高，但导航功耗相对较高。同时两种工作模式下，导航单元传感器部分复用，在不增加硬件成本的基础上，系统可提供功耗和导航精度不同的导航方案。

本控制系统由基础航控板卡和高性能任务规划板卡构成(如图1所示)，兼容两种工作模式，低功耗工作模式和高性能工作模式。

低功耗工作模式下仅基础航控板卡进行工作，高性能工作模式下基础航控板卡与高性能任务规划板卡同时工作(如图2a和图2b所示)。

基础航控板卡可实现基础任务规划、运动控制、基础导航、自主避碰、数据存储、健康管理、载荷管理、远程低带宽通信以及定位。其处理器采用低功耗处理器，本发明为ST公司的M4核处理器STM32F407，可实现最大168MHz主频工作，满足航行控制子系统运行需求。

所述基础任务规划指定向航行任务规划功能、定轨航行任务规划功能以及定点航行任务规划功能。

为满足双模式工作模式作业需求，基础航控板卡对基础任务规划单元进行模块化独立设计，同时具备两种工作模式：SLAVE模式和MASTER模式，其在SLAVE模式下其软件关闭任务规划单元功能，其运动行为受控于高性能任务规划板卡。MASTER模式下其进行基础自主任务规划作业，并关闭高性能任务规划板卡。

基础航控板卡基础任务规划单元可独立实现AUV自主作业，任务规划功能包括定向作业任务、定点作业任务以及定轨作业任务。

基础航控板卡运动控制单元可实现AUV垂直面和水平面运动控制能力，如定深航行、定向航行等。同时提供对执行机构的闭环驱动能力，如浮力调节结构位置闭环控制、舵调节结构位置闭环控制以及推进器速度闭环控制等。

基础航控板卡基础自主导航主要包括电子罗盘、对地多普勒测速仪以及声学定位信标。通过卡尔曼滤波实现对AUV大地坐标系下速度状态和位置状态的估计。

基础航控板卡自主避碰单元由三个避碰声纳构成，分别为前向避碰声纳、对底避碰声纳和水平安装角30°避碰声纳。可实现对AUV前方障碍物进行感知及避障处理。

基础航控板卡通信单元包括无线电通信模块、卫星通信模块以及声学通信模块。定位单位采用GPS定位系统。

高性能任务规划板卡进行扩展任务规划、高精度导航、高性能科学载荷管理、健康管理、数据存储以及近距离高带宽通信，高性能任务规划板卡与基础航控板卡之间通过RS232串口通信。其处理器采用高性能处理器博通BCM2711，其最大工作主频1.5GHz，满足任务规划子系统自主智能作业、图像在线处理等任务运行需求。

所述扩展任务规划包含基础任务规划，并且可实现在线任务规划功能。

在控制系统选择进入高性能工作模式时，可通过无线电、卫星以及声学信道对基础航控板卡下发指令，基础航控板卡开启高性能任务规划板卡电源，并进入SLAVE模式，基础航控板卡受控于高性能任务规划板卡。

高性能任务规划板卡自主规划单元可实现自主智能作业，如温跃层跟踪任务、海底管线跟踪与识别等任务。

高性能任务规划板卡通信单元为WIFI通信，可以实现对图像等数据进行传输。

高性能任务规划板卡高精度导航单元由光纤陀螺捷联惯导、对地多普勒测速仪以及声学定位信标组成。光纤陀螺捷联惯导可实时输出AUV位置、速度、姿态等信息。

基于软件路由原理的面向双模式控制系统的通信系统原理如图3所示，基础航控板卡内置软件路由，在通过无线电、卫星、声学通信信道接收到信息后，内置软件路由根据本发明设定协议进行解析，判断信息的最终流向是基础航控板卡还是高性能任务规划板卡。

通信协议定义如表1所示：

表1

头标识H：固定为0xFE。

头标识L：固定为0xFD。

长度：表示该条报文所含有的字节长度，长度计算从源设备地址开始，到尾标识截止，占用长度1个字节。

源设备地址：用于标识报文的发送设备，占用一个字节。其中该字节按二进制显示过程中，前3个bit标识设备种类，如001为设备AUV，后5个bit为其设备种类的设备号，如00001为基础航控板卡，00010为高性能任务规划板卡。

下一个设备地址：用于标识报文传输过程中的中转设备。

目标设备地址：确定报文的最终接收设备。

信道标识：主要用于标识PC端的通信信道，包括卫星信道、无线电信道、声学通信，占用一个字节。

协议内容解析方式标识：用于标识通信内容的解析形式，决定报文内容解析方式，占用一个字节。

通信内容：用于传输具体的数据信息。

校验位：用于校验接收数据是否正确，采用异或校验，占用一个字节。计算以头标识为开始，截止到通信内容最后一位。

尾标识：固定“*”，长度为占用一个字节，用于表示该条报文的结尾。

软件路由根据上述协议中下一个设备地址和目标设备地址状态进行信息分发，如下一个设备地址为基础航控板卡，目标设备地址为高性能任务规划板卡，则此时软件路由则将信息最终下发给高性能任务规划板卡。如下一个设备地址为基础航控板卡，目标设备地址为基础航控板卡，则此时软件路由则将信息最终下发给基础航控板卡。

面向双模式控制系统的导航单元设计采用了传感器复用方案(如图4所示)，控制系统导航类传感器包括光纤陀螺捷联惯导、电子罗盘、对地多普勒测速仪以及声学定位信标。

当控制系统处于低功耗工作模式状态下，电子罗盘、对地多普勒测度仪以及声学定位信标组成导航系统。其电子罗盘可提供地磁北方向，对地多普勒测度仪可提供AUV相对海底运行速度，声学定位信标可定期提供AUV带有误差的绝对位置信息。航行控制子系统通过卡尔曼滤波对上述三种传感器信息进行融合，获取AUV实时速度、位置状态信息。

当控制系统处于高性能工作模式状态下，光纤陀螺捷联惯导、对地多普勒测度仪以及声学定位信标组成导航系统。此时对地多普勒测度仪信息、声学定位信标信息直接输入光纤陀螺捷联惯导进行信息融合，光纤陀螺捷联惯导提供AUV实时位置、速度、姿态等信息。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

与现有技术相比，本控制系统根据功耗需求和运算能力需求，分为低功耗工作模式和高性能工作模式，基础航控板卡一直处于正常工作状态，高性能任务规划板卡仅在高性能工作模式下开启。同时面向本发明所述的双工作模式控制系统对导航单元和通信单元进行了针对性设计。本发明所述控制系统结构简单、成本低廉、硬件复用率高、同时具备低功耗等特点，在满足轻型长航程AUV大尺度、长周期的海洋观测需求同时，可实现海洋科学智能调查、港口安全以及水雷探测等功能。

Claims (1)

1.一种支持双工作模式的轻型长航程AUV控制系统，包括：

基础航控板卡，用于在低功耗工作模式下，接收用户通信主机的指令，并基于所述指令对AUV进行基础任务规划、运动控制；以及在高性能工作模式下，接收高性能任务规划板卡发送的控制指令，基于控制指令对AUV进行运动控制；

高性能任务规划板卡，用于在高性能工作模式下，通过基础航控板卡或自身板卡WIFI通信单元接收用户通信主机的指令，对AUV进行扩展任务规划并生成控制指令，通过串口发送给基础航控板卡；

所述基础航控板卡包括：

基础任务规划单元，用于根据用户通信主机的指令，开启或者关闭高性能任务规划板卡，当关闭高性能任务规划板卡时，对AUV进行基础任务规划并生成控制指令，当开启高性能任务规划板卡时，接收高性能任务规划板卡发送的控制指令；

运动控制单元，用于根据控制指令对AUV进行运动控制；

通信单元，用于分别与用户通信主机和高性能任务规划板卡进行通信；

所述基础航控板卡具有SLAVE模式和MASTER模式，根据用户通信主机的指令进行模式间的切换；

所述SLAVE模式下，关闭其基础任务规划功能，接收高性能任务规划板卡发送的控制指令；所述MASTER模式下进行自主任务规划，生成控制指令，并关闭高性能任务规划板卡；

所述通信单元通过无线电、卫星信道和声学信道中的至少一种分别与用户通信主机或高性能任务规划板卡进行通信；

所述高性能任务规划板卡包括：

自主规划单元，用于对AUV进行扩展任务规划并生成控制指令，通过串口发送给基础航控板卡；

通信单元，用于与用户通信主机进行WIFI通信；

所述轻型长航程AUV控制系统具有两套导航系统，包括基础航控板卡中的低功耗导航单元和高性能任务规划板卡中的高精度导航单元，所述低功耗导航单元在系统处于低功耗工作模式下开启并进行工作，所述高精度导航单元在系统处于高性能工作模式开启并进行工作；

所述低功耗导航单元包括电子罗盘、对地速度多普勒测速仪和声学定位信标；

所述高精度导航单元包括：光纤陀螺捷联惯导、对地速度多普勒测速仪和声学定位信标；

包括低功耗工作模式以及高性能工作模式，其中：

所述低功耗工作模式下，基础航控板卡独立进行工作，接收用户通信主机的指令，并基于所述指令对AUV进行基础任务规划以及运动控制；

所述高性能工作模式下，基础航控板卡和高性能任务规划板卡同时工作，基础航控板卡关闭其基础任务规划功能，高性能任务规划板卡对AUV进行任务规划生成控制指令，通过串口发送给航行基础航控板卡，基础航控板卡基于控制指令对AUV进行运动控制。