CN114764254B - 一种大型水下机器人可扩展的自主控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下机器人自主控制领域，具体的说是一种大型水下机器人可扩展的自主控制系统及其控制方法。在水下机器人内部设置多个舱体，每个舱体内设有控制器以及通过通信总线与其连接的设备；本发明采用以太网进行连接，每一个功能区域拥有独立的功能控制器，这种设计便于系统模块化设计，减少系统线缆成本，同时促进水下机器人电子电气架构谱系化设计。

Description

一种大型水下机器人可扩展的自主控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，针对深海复杂环境，系统高度复杂的水下机器人控制系统领域，具体地说是一种大型水下机器人可扩展的自主控制系统电子电气控制架构。

背景技术

近几年来，自主式水下机器人(AUV)逐渐得到了世界各国的重视，在海洋经济开发、生态研究、地质勘探、水文监测、油气管道检测等领域得到了很广泛的应用，逐渐成为水下作业的重要工具。

随着水下机器人领域逐渐走向深海，水下机器人被赋予更多、更加复杂的功能，这对水下机器人设计提出更多的要求，现有的水下机器人设备繁多，线路长短不一并且布线复杂，不易维修和维护，如何设计一种可扩展的，功能复杂，易于模块化的控制系统架构，成为更多水下领域技术人员争相研究的核心。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种大型水下机器人可扩展的自主控制系统电子电气控制架构，它提高了功能复杂水下机器人控制系统的设计效率。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种大型水下机器人可扩展的自主控制系统，在水下机器人内部设置多个舱体，每个舱体内设有控制器以及通过通信总线与其连接的设备；其中，多个舱体包括：

用户舱，内部设有用户舱控制器以及通过通信总线与其连接的终端；

导航舱，内部设有导航舱控制器以及通过通信总线与其连接的导航传感器；

探测载荷舱，内部设有探测载荷舱控制器以及通过通信总线与其连接的探测传感器；

能源与动力舱，内部设有能源与动力舱控制器以及通过通信总线与其连接的动力设备；

通信舱，内部设有通信舱控制器以及通过通信总线与其连接的通信设备；

用户舱控制器、导航舱控制器、探测载荷舱控制器、能源与动力舱控制器、通信舱控制器均通过以太网与服务器连接。

所述终端为人机交互屏。

所述终端为数据云端、岸基指控台、远程监控台和远程遥控台中的至少一种。

所述导航传感器包括惯性测量单元、定位系统、多普勒计程仪、声速剖面仪、高度计、声通信机和超短基线中的至少一种。

所述探测传感器包括声纳、前视声纳、侧扫声纳和温盐深仪中的至少一种。

所述动力设备包括有线充电器、无线充电器、电池组、推进器、舵机、混合能源发电机中的至少一种。

所述通信设备包括光通信机、摄像机、无线通信机、铱星、无线电中的至少一种。

一种大型水下机器人可扩展的自主控制系统，还包括辅助传感器舱，内部设有辅助传感器舱控制器以及通过通信总线与其连接的辅助传感器；所述辅助传感器包括深度传感器、漏水检测传感器、频闪灯、浮力调节装置、应急抛载装置中的至少一种。

所述舱体为圆柱形钛合金封闭壳体。

一种大型水下机器人可扩展的自主控制方法，包括以下步骤：

各舱体内控制器分别启动任务，将任务分解后，下达到各个舱体内的设备；

某舱体内设备进行数据采集，采集到的数据经处理后，上传到服务器，其它至少一舱体内控制器从服务器取得数据后，进行周期计算，然后更新服务器信息，通过轮询判定是否完成周期执行任务；

若否，则继续进行周期计算；

若是，则与某舱体内控制器进行通信，以控制该舱体内设备采集数据。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明为一种集中控制，分层管理的电子电气控制系统架构，控制使命任务自上而下进行划分，便于软件开发设计；

2.本发明各个功能区控制器采用以太网连接，各个功能区设备采用就近原则布置，减少线缆成本，便于系统模块化设计；

3.本发明各个功能区控制器按照自身实现功能及物理接口需求，选择适当功能的控制器(像单片机、ARM、DSP或者FPGA等)，比如浮力调节装置的控制器，控制节点少，运算功能对控制器处理速度不高，可以选用常规单片机STM32F103系列微控制器代替FPGA控制器或者windos系统的控制计算机，有助于大幅度降低系统损耗；

4.本发明设计方案开放程度高，同时可以达到控制器的冗余配置，提高了系统的稳定性。

5.各功能区分别设于舱体内，易于更换、维修和维护。

附图说明

图1是本发明的电子电气控制系统架构图；

图2是本发明的具体实施例1电子电气控制系统架构图；

图3是本发明的自主控制软件流程图。

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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可能直接在另一个元件上，或也可以存在居中的元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

如图1所示，本发明属于水下机器人自主控制领域，具体的说是一种针对大型水下机器人的可扩展的自主控制系统电子电气控制架构。它结合传统水下机器人控制系统架构设计的基础上，创新应用了区域功能控制器的概念。整个系统按照控制使命任务划分为主控计算决策层、综合控制处理层和标准化执行器与传感器层；主控计算决策层主要用于实现对整个系统的信息综合处理、使命规划以及控制功能决策；综合控制处理层主要由各个区域功能控制器组成，它负责完成对各个功能区域的信息融合处理、综合上报以及部分决策控制；标准化执行器与传感器控制层主要由系统终端的各个传感器组部件、执行器、驱动器组成，负责完成整个系统的最终决策功能执行、原始信息采集等；在3个控制使命任务层基础上，系统按照各自功能区域又划分为用户区、导航区、探测载荷区、能源与动力区、辅助传感器区和通信区；用户区主要针对岸基操作人员的功能定义；导航区顾名思义主要负责整个系统的导航信息采集和处理；探测载荷区主要包括系统搭载的功能载荷设备；能源与动力区主要负责完成对整个系统的能源提供以及提供系统运转所需动力；辅助传感器区主要完成系统的辅助传感器信息采集处理；通信区主要负责整个系统与外界设备之间的通信功能；在所划分的各个功能区之上，各个控制使命层的划分原则与按照功能划分区域并不冲突。整个系统控制架构采用以太网进行连接，每一个功能区域拥有独立的功能控制器，这种设计便于系统模块化设计，减少系统线缆成本，同时促进水下机器人电子电气架构谱系化设计。

一种大型水下机器人可扩展的自主控制系统电子电气控制架构，按照控制使命任务划分主控计算决策层、综合控制处理层和标准化执行器与传感器层，各个使命任务层之间功能独立，使命任务自上而下依次下达；

主控计算决策层作为整个系统控制软件的顶层控制策略核心，它基于主控计算机控制软件开发，主要用于实现对整个系统的信息综合处理、使命规划以及控制功能决策；

综合控制处理层：由若干个分系统功能区控制器和以太网总线组成，各个分系统功能区控制器具有独立的ID，主要负责各个功能区内部控制使命的逻辑运算，信息处理以及下达相应功能执行使命；

标准化执行器与传感器层：主要包括若干功能执行单元、执行机构以及系统终端的传感器组件，它负责完成整个系统的最终决策功能执行、原始信息采集等；

系统按照相近功能设备物理层划分为N个功能区，每一个功能区控制器之间采用以太网连接；

相关功能区内部由独立的功能区执行器与传感器组成，每一个功能区执行器与传感器都具有相互独立的通信总线；

相关功能区控制器与功能区执行器与传感器在空间布局上采用就近原则进行布置；

主控计算机在功能上可以与任意功能区控制器融合或者独立设置。

实施例1：

如图2所示为本发明的具体实施例1电子电气控制系统架构图。

该系统电子电气控制系统架构按照控制使命任务划分为主控计算决策层、综合控制处理层和标准化执行器与传感器层；

其中，主控计算决策层基于主控计算机控制软件开发，它是整个系统控制软件的顶层控制核心，主要用于实现对整个系统的信息综合处理、使命规划以及控制功能决策；

综合控制处理层：由若干个分系统功能区控制器、岸基通信单元和以太网总线组成，在本实施例1中，功能区控制器主要包括用户区控制器、导航区控制器、探测载荷区控制器、能源与动力区控制器、辅助传感器区控制器和通信区控制器；各个分系统功能区控制器具有独立的ID，它们通过以太网总线连接；

标准化执行器与传感器层：主要由各个功能区执行器与传感器组成；

系统按照相近功能设备物理层划分为以下功能区：用户区、导航区、探测载荷区、能源与动力区、辅助传感器区和通信区；

用户区主要包括用户区控制器、数据云端、岸基指控台、远程监控台和远程遥控台。用户区主要面对岸基使用者或操控人员，负责以直观界面传达给用户信息；

导航区主要包括导航区控制器、惯性测量单元、北斗/GPS定位系统、多普勒计程仪、声速剖面仪、高度计、声通信机和超短基线。它作为整个系统的导航核心，负责完成整个系统的导航传感器数据采集、处理以及逻辑运算，生成相关运动控制指令。在本实施例1中，导航区控制器与主控计算机相互融合，导航区控制器完成主控计算决策层的任务使命；

探测载荷区主要包括探测载荷区控制器、主动/被动声纳、前视声纳、侧扫声纳和温盐深仪。它负责外界海洋环境因素信息采集、在线处理以及生成相关因素值；

能源与动力区主要包括能源与动力区控制器、有线/无线充电器、电池组、推进器、舵机、混合能源发电机等。它负责为整个系统提供能源需求以及运动控制执行等；

辅助传感器区主要包括辅助传感器区控制器、深度传感器、漏水检测传感器、应急频闪灯、浮力调节系统、应急抛载系统和辅助执行机构等。它负责完成一些简单传感器数据采集和应急功能执行处理等；

通信区主要包括通信区控制器、光通信机、摄像机、无线通信机、铱星、无线电等。它主要负责整个系统的对外信息数传、应急指令传输和实时影像资料采集与传输；

各个功能区设备在结构设计安装过程中，采用就近原则设计，外形参考随型设计或模块化设计原则，尽量减少系统间交叉电缆走向；

如图3为本发明各个功能区自主控制软件流程图：综合控制处理层的各个功能区控制器启动各节点任务，将目标任务分解后，下达到各个功能区控制器的功能软件模块，各功能软件模块以独立的可执行文件形式预先部署到各控制器中，功能软件模块可分为驱动模块与算法模块，驱动模块功能为与各传感器通信交互，主要用于传感器数据的采集解析，其需要运行在指定的控制器中，算法模块主要用于实现上层控制逻辑或使命决策，其可以运行在各控制器中。功能软件模块驱动标准化执行器与传感器层模块进行数据采集，采集到的数据经过数据处理后，将数据上传到服务器，其它功能区控制器从服务器取得数据后，下达到各自功能区控制器内的功能软件算法模块，进行周期计算，然后更新服务器信息，通过轮询判定是否完成周期执行任务，若否，则返回算法模块继续进行周期计算，若是，则返回到标准化执行器与传感器层的驱动模块进行数据采集使命；

以实施例1中高度计传感器信息采集为例，水下机器人进行定高航行，导航区控制器启动定高航行任务，控制器启动高度计采集软件模块，采集水下机器人当前高度信息，将当前高度信息与使命任务设定值进行比较，生成姿态调整控制使命，将控制使命上传到服务器，能源与动力区控制器从服务器取得姿态调整控制使命，将控制使命下达给内部姿态控制算法模块，然后驱动标准化执行器与传感器层舵机执行使命调整，通过周期性轮询判定是否达到使命任务设定值，若否，则继续执行舵机调整，若是，则上传服务器，返回到高度计采集软件模块，继续进行高度信息采集。

Claims (2)

1.一种大型水下机器人可扩展的自主控制系统，其特征在于，在水下机器人内部设置多个舱体，每个舱体内设有控制器以及通过通信总线与其连接的设备；其中，多个舱体包括：

用户舱，内部设有用户舱控制器以及通过通信总线与其连接的终端；所述终端为人机交互屏；所述终端为数据云端、岸基指控台、远程监控台和远程遥控台中的至少一种；

导航舱，内部设有导航舱控制器以及通过通信总线与其连接的导航传感器；

所述导航传感器包括惯性测量单元、定位系统、多普勒计程仪、声速剖面仪、高度计、声通信机和超短基线中的至少一种；

探测载荷舱，内部设有探测载荷舱控制器以及通过通信总线与其连接的探测传感器；所述探测传感器包括声纳、前视声纳、侧扫声纳和温盐深仪中的至少一种；

能源与动力舱，内部设有能源与动力舱控制器以及通过通信总线与其连接的动力设备；所述动力设备包括有线充电器、无线充电器、电池组、推进器、舵机、混合能源发电机中的至少一种；

通信舱，内部设有通信舱控制器以及通过通信总线与其连接的通信设备；所述通信设备包括光通信机、摄像机、无线通信机、铱星、无线电中的至少一种；

用户舱控制器、导航舱控制器、探测载荷舱控制器、能源与动力舱控制器、通信舱控制器均通过以太网与服务器连接；

还包括辅助传感器舱，内部设有辅助传感器舱控制器以及通过通信总线与其连接的辅助传感器；所述辅助传感器包括深度传感器、漏水检测传感器、频闪灯、浮力调节装置、应急抛载装置中的至少一种；

所述舱体为圆柱形钛合金封闭壳体。

2.根据权利要求1所述的一种大型水下机器人可扩展的自主控制系统的自主控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

各舱体内控制器分别启动任务，将任务分解后，下达到各个舱体内的设备；

某舱体内设备进行数据采集，采集到的数据经处理后，上传到服务器，其它至少一舱体内控制器从服务器取得数据后，进行周期计算，然后更新服务器信息，通过轮询判定是否完成周期执行任务；

若否，则继续进行周期计算；

若是，则与某舱体内控制器进行通信，以控制该舱体内设备采集数据。