CN1677295A - 水下自航行平台控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下自航行平台的控制系统，本发明的水下自航行平台控制系统包括通过CAN总线相互连接的组织级、协调级和现场执行级，组织控制级由微型计算机构成；协调控制级包括总控制单元以及与总控制单元连接的航行规划、系统电源管理、碰撞判断和处理、故障诊断和处理，数据采集存储和通讯控制单元以及与数据采集存储和通讯控制单元连接的GPS通讯系统、大容量存储器、传感器模块，传感器模块连接有航行控制传感器、测量传感器；航行控制系统由3路电机控制，均由依次连接的位置驱动器、直流无刷电机、传动机构组成。本发明采用混合式控制系统结构，易扩展，提高了系统的可靠性；采用一个螺旋桨和两对舵的航行控制系统，功能实现全面，简单可靠。

Description

水下自航行平台控制系统

技术领域

本发明涉及一种水下自航行装置的控制系统，尤其是一种水下自航行平台的控制系统。

背景技术

随着海洋资源和环境及海洋科研与军事任务的迫切需求，海洋成为人类关注和探索的重要领地，但人力探索风险很高，必须借助有效的工具。水下自航行平台具有环境适应能力强、活动范围大、使用方便等诸多优点，成为当今世界研究的热门领域。世界很多发达国家相当重视其开发，其中典型的有：美国的伍兹霍海洋研究所(WHOI)研制的ABE和REMUS，麻省理工学院(MIT)的Odyssey，加拿大的Theseus，欧洲的MARIUS和MARTIN，日本的AE1000等。以上水下航行平台绝大部分大而重，并装配有高精度设备，致使研制、维修与使用费用很高，商品化和推广应用成为问题。海洋环境复杂多变，在此条件下实现自治，再加上水下航行平台运动具有强耦合、非线性特征，其控制系统是关键技术之一，在很大程度上标志着平台水平高低，并且系统可靠性尤为重要，任何故障都有可能导致机器人丢失。

鉴于以上情况，有必要开发研制不回收型，主体与压载可分离，测量能力高(能够实现3个月长时间测量)，返航能力简单且小型化经济实用的水下自航行平台控制系统，以实现在特定海域完成特定任务。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种小型化经济实用的水下自航行平台的控制系统。

为解决上述技术问题，本发明的水下自航行平台控制系统包括通过CAN总线相互连接的组织级、协调级和现场执行级，所述的组织控制级由微型计算机构成，用于完成用户界面和数据处理；所述的协调控制级用于完成用于控制与协调计算功能，接收测量传感器传送的信息，并将控制指令传输至所述的现场执行级，协调控制级包括总控制单元以及与总控制单元连接的航行规划、系统电源管理、碰撞判断和处理、故障诊断和处理，数据采集存储和通讯控制单元以及与数据采集存储和通讯控制单元连接的GPS通讯系统、大容量存储器、传感器模块，传感器模块连接有航行控制传感器、任务测量传感器；所述的现场执行级为现场执行器，用于完成伺服控制功能，包括航行控制系统、传感器模块调节控制系统、压载水舱注水控制系统和压载释放控制系统；所述的航行控制系统由3路电机控制，均由依次连接的驱动器、直流无刷电机、传动机构组成，第一路电机控制的传动机构与螺旋桨连接，用于控制水下自航行平台的主推力；第二路电机控制的传动机构与垂直舵连接，用于控制水下自航行平台的航向；第三路电机控制的传动机构与水平舵连接，用于控制水下自航行平台的航行深度和纵倾；所述的传感器模块调节控制系统由依次连接的位置驱动器、直流无刷电机、传动机构组成，用于控制所述传感器模块的旋转调平；所述的压载水舱注水控制系统，由依次连接的位置驱动器、直流无刷电机、传动机构组成，用于向压载水舱注水，控制水下自航行平台的下沉；所述的压载释放控制系统为并关量控制，用于完成水下自航行平台主体与其压载水舱的分离，由驱动继电器、捆绑导线和释放机构组成；水下自航行平台完成测量任务后，系统发出释放命令，通过所述的驱动继电器接通所述捆绑导线的电源，捆绑导线牺牲，释放机构打开。

所述的水下自航行平台控制系统还包括主体自毁控制系统，主体自毁控制系统由设置在靠近水下自航行平台主舱前部的自毁注水阀和一路开关量继电器控制系统组成；当主体上浮并完成数据发射后，在所述执行控制单元的控制下，所述控制系统打开注水阀，向主体空腔内注水。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(1)混合式控制系统结构，模块化设计，易扩展，结构简明；(2)将常用于汽车工业的CAN总线用于水下自航行平台，提高了系统的可靠性，通信协议灵活，便于应用；(3)采用一个螺旋桨和两对舵的航行控制系统，功能实现方面，结构与控制系统巧妙结合，简单可靠；(4)能够实现主体与附体分离；(5)传感器模块能够位姿调节实现复用；(6)小型化，成本低。

附图说明

图1是本发明水下自航行平台总体控制系统结构示意图；

图2是本发明的执行控制器的电路原理图；

图3是本发明的电机控制系统示意图；

图4是本发明的螺旋桨和舵的运动控制结构示意图；

图5是图4所示螺旋桨和舵的运动控制结构的左视图；

图6是本发明的传感器模块(ADCP)调节控制系统示意图；

图7是图8所示传感器模块(ADCP)调节控制系统的左视图；

图8是本发明的压载水舱注水控制系统示意图；

图9是图8所示压载水舱注水控制系统的左视图；

图10是本发明的压载释放控制系统示意图；

图11是图10所示压载释放控制系统的左视图；

图12是本发明的主体自毁系统示意图；

图13是水下自航行平台的外形结构示意图。

附图标记：

1螺旋桨及其传动机构  2舵及其传动机构  3舵电机           4螺旋桨电机  11电机

12齿轮传动机构       13探测装置       14发射装置耐压壳  15导流罩     16摆轴

17摆锤               21驱动轴         22油缸            23注水阀     31导线

32底板               33弹簧A          34压块            35挂钩       36压载舱筐架

37绝缘体    38压帽        39支架            40摆轴    41电磁铁

42阀体      43顶杆        44弹簧C           45阀盖    46阀芯

47弹簧B     48限位杆      51尾舱            52舵      53电池舱

54主舱      55自毁注水阀  56GPS与发射装置             57ADCP

58释放机构  59水舱注水    60压载水舱        61螺旋桨

具体实施方式

以下结合附图对本发明作详细描述。

本发明的总体控制体系结构：

见图1所示，将常用于汽车的CAN总线用于水下自航行平台，采用了混合控制系统结构，此有便于模块化设计，易扩展，并行计算，速度快等诸多优点。各节点在功能上递阶分层，而每个模块内部又存在包含、行为响应等结构，整个系统为混合结构，避免了单个控制结构的局限与不足，扬长避短，而整个系统结构又简明、清晰，十分适合小型、低成本水下自航行平台。CAN总线即为控制器局域网总线；CAN的全称为Controller Area Network，译为控制器局域网。

一、总体控制结构

总体控制系统分三层：组织控制级、协调控制级和现场执行级。组织控制级用于完成用户界面(GUI)、任务规划、数据处理等功能，属于智能控制范畴，在本系统中主要有一台PC机构成，通过RS-232传输信息，运行基于VC++6.0编写的程序；协调控制级用于完成控制与协调计算功能，确保上一级下达的目标能够实现，所依据的信息来自传感器单元，所产生的控制指令应为下一级接受；现场执行级则是完成伺服控制功能。

考虑负载优化分配，水下自航行平台本体控制系统有3个节点构成，功能分别如下：

总控制单元节点：1)系统的总体监控、决策与路径规划，2)系统电源的管理；3)系统故障诊断与处理；4)碰撞判断与处理。内嵌实时多任务操作系统(RTOS)内核。

数据采集、存储与通讯节点功能：1)完成对多种传感器的数据采集，融合处理；2)对测量采集的有用数据压缩存贮在大容量存储器内；3)管理GPS的通信，在AUV上浮，实现定位和大容量存储器内的数据发射给卫星。

执行节点功能：1)实现AUV的航行控制，其中包括：一个三叶螺旋桨提供主推力，一对垂直舵控制航向，一对水平舵控制航行深度和纵倾；2)传感器模块的旋转调平，部分传感器在航行时，用作航行控制；在到位测量时，用作数据测量采集；3)压载水舱贮水，AUV下沉；4)水舱释放，主体上浮；5)主体注水自毁。

对电机的控制(螺旋桨，两对舵，ADCP调节，注水)用执行控制器控制驱动器，驱动器控制电机，如图3。电机用编码器和霍尔形成闭环反馈。其中螺旋桨为PWM调速控制，其它电机是位置控制。

二、现场执行级

现场执行器：

现场执行级即为现场执行器，用于完成伺服控制功能。水下自航行平台总体控制系统系统主要是现场执行级，即总体控制系统中的执行控制单元。此单元得到总控制单元下达的命令，也可以得到数据采集单元发来的航行状态信息，实现闭环控制。

如图1，执行控制系统主要包括：航行控制系统(一个螺旋桨控制，一对水平舵和一对垂直舵控制)，传感器模块调节控制系统，压载水舱注水控制系统，压载释放控制系统，主体自毁控制。本发明采用了为五路电机控制和两路开关两控制，电机选择直流无刷电机。螺旋桨为PWM调速控制，舵、传感器模块调节和水舱注水是位置控制，压载释放和主体注水自毁为开关量控制。执行控制器主要完成以上七路控制功能，执行控制器控制电机驱动器，电机驱动器驱动电机。执行控制器的电路原理见图2。PWM全称为Pulse Width Modulation，译为脉宽调制。

航行控制部分：

航行控制部分包括航行控制系统和螺旋桨、舵的运动控制结构，螺旋桨和舵的运动控制结构见图4和图5。本航行平台有一个三叶螺旋桨提供推力，控制方式为PWM调速控制，执行控制器发出PWM信号控制驱动器，驱动器通过编码器和霍尔信号构成控制回路驱动直流无刷电机，见图3。电机通过减速器驱动螺旋桨，传动机构见图4和图5。

本平台装有两个同轴线一起转动的水平舵和两个同轴线一起转动的垂直舵，舵的传动机构为换向齿轮传动，这样一对垂直舵和一对水平舵分别有一个直流无刷电机控制。为了减小传动机构的空间，电机轴经过减速器后，在串联一个涡轮涡杆减速器换向90°，传动机构见图4和图5。舵为角位置控制，执行控制器发出脉冲信号，控制位置驱动器，驱动器通过编码器和霍尔传感器构成回路控制电机。

航行控制系统由3路电机控制，均由依次连接的位置驱动器、直流无刷电机、传动机构组成，第一路电机控制的传动机构与螺旋桨连接，用于控制水下自航行平台的主推力。第二路电机控制的传动机构与垂直舵连接，用于控制水下自航行平台的航向。第三路电机控制的传动机构与水平舵连接，用于控制水下自航行平台的航行深度和纵倾。

传感器模块(ADCP)调节控制系统：

ADCP全称为Acoustic Doppler Current Profiler，译为多普勒潮流测量仪。传感器模块调节控制系统由依次连接的位置驱动器、直流无刷电机、传动机构组成，用于控制所述传感器模块的旋转调平。

传感器模块能够绕支承轴(即主体轴线x轴)转动，这样可实现用一套探测装置完成两套探测装置功能，降低平台成本。在平台航行时，探测装置13方向竖直朝下，实现对平台的航速、航向、航距及姿态等的监控；在平台到达预定位置后，传动机构12带动探测装置13绕主体轴线转过180°左右，探测装置13方向竖直朝上，压栽舱注水平台下沉落到海底，完成在位3个月对海况的测量，并且可根据海底状况的斜度以及在位测量过程中海流对平台位置与姿态的影响变化，实时调整探测装置所转过的角度，摆动机构依靠摆锤17对ADCP横向倾角作调整，始终保持ADCP垂直朝上。

传感器模块的控制采用位置控制。为了减小空间，电机11输出经过涡轮涡杆减速器换向90°，在经齿轮传动机构12带动ADCP，结构见图6和图7。

压载水舱注水控制系统：

压载水舱注水控制系统，由依次连接的位置驱动器、直流无刷电机、传动机构组成，用于向压载水舱注水，控制水下自航行平台的下沉。

平台航行到预定位置后，压载水舱注水平台座底。压载水舱注水控制由位置控制的电机驱动位于主舱内油缸22，将油缸22中的油液压入关闭的注水阀，推开注水阀23，水进入注水舱。油缸22带动一共有四个注水阀，每个水舱两端各一个，见图8和图9。

压载释放控制系统：

压载释放控制系统为并关量控制，用于完成水下自航行平台主体与其压载水舱的分离，由驱动继电器、捆绑导线和释放机构组成；水下自航行平台完成测量任务后，系统发出释放命令，通过所述的驱动继电器接通所述捆绑导线的电源，捆绑导线牺牲，释放机构打开。

释放机构主要完成水下自航行平台主体与压载水舱分离，实现平台主体上浮于水面。采用了摆动式释放机构，主要由支架39、挂钩35、摆轴40、绝缘体37、压帽38、压块34、导线31、弹簧33和底板32等组成，见图10和图11。通过支架39及底板32将释放机构与主舱联接。

当释放机构的挂钩35处于图示状态，用导线31将挂钩35另一端捆绑后，再用压帽38和压块34将导线31两端分别压紧，可实现挂载。释放机构的捆绑导线31接电源的正极，与之相邻的另一条导线接电源的负极。当平台完成测量任务后，系统发出释放命令，导线31上电牺牲阳极，接电源正极的捆绑导线31断开，挂钩35另一端(捆绑导线端)在弹簧的作用下使挂钩35绕摆轴40逆时针摆动，释放机构打开，实现压载水舱与主体分离。这一系统为开关量控制，驱动继电器闭合捆绑导线上电。

三、主体自毁控制系统：

主舱上装有两个控制阀，靠近头部的控制阀为排气阀，靠近尾部的控制阀为注水阀。当主体上浮并完成数据发射后，两控制阀打开，向主体空腔内注水，实现自毁功能。注水阀本质上都是单向阀，主要由阀芯46、阀盖45、阀体42、顶杆43、限位杆48、弹簧C44、弹簧B47和电磁铁41等组成，见图12。

常态下如图12示，阀芯46在弹簧C44及弹簧C44周围空腔中水压的作用下将阀体42上的阀口关闭，保证主舱的密封性。当主体上浮并完成数据发射后，控制系统使电磁铁通电，电磁铁41推动顶杆43，顶杆43将阀46芯顶起，阀口打开，与此同时限位杆48在弹簧B47的作用下顶入顶杆43的环槽，保证即使主舱进水电磁铁41断电后，阀口仍能保持打开状态，确保自毁功能的实现。电磁铁41吸合为开关量控制，通过继电器实现此路通断控制。

水下自航行平台的组成与外形：

本平台外形设计成低水阻流线型壳体，水中配重成中性浮力，总体由探测与发射装置56、主舱54、电池舱53、尾舱51、和压载水舱60五个模块组成。探测与发射装置56、主舱54、电池舱53和尾舱51为平台的主体。有一个三叶螺旋桨61提供动力，水平舵和垂直舵各一对控制航线与姿态。如图13所示。

平台总体外部尺寸：长3290mm、高670mm、宽600mm。

平台主体外部尺寸：长3230mm、直径330mm。长径比为3230/330＝9.8。

水下自航行平台的工作过程简述：

平台发放后，以一定倾角下潜到30米左右的深度，以2m/s的速度自主航行100海里达到预定位置，在此阶段，重心位于浮心下，并在一条垂线上，传感器模块朝向水底，部分传感器作航行控制使用。到位后，其悬挂的压载舱注水，平台下沉到深度小于100米的海底，同时传感器模块(ADCP)调节到水平朝上，实现在位测量3个月。然后平台通过释放机构实现主体与压载水舱分离，主体上浮，通过重心与浮心的位置变化，主体垂直竖立，头部浮出水面不小于0.5米。实现测量数据的发射与接收；完成任务后主体注水、下沉，实现自毁。

发明水下自航行平台控制系统设计的优点：(1)混合式控制系统结构，模块化设计，易扩展，结构简明；(2)将常用于汽车工业的CAN总线用于水下自航行平台，提高了系统的可靠性，通信协议灵活，便于应用；(3)采用一个螺旋桨和两对舵的航行控制系统，功能实现方面，结构与控制系统巧妙结合，简单可靠；(4)能够实现主体与附体分离；(5)传感器模块能够位姿调节实现复用；(6)小型化，成本低。水下自航行平台控制系统设计的缺点是无回收能力。

Claims (2)

1、一种水下自航行平台控制系统，其特征是，它包括通过CAN总线相互连接的组织级、协调级和现场执行级，所述的组织控制级由微型计算机构成，用于完成用户界面和数据处理；

所述的协调控制级完成用于控制与协调计算功能，接收测量传感器传送的信息，并将控制指令传输至所述的现场执行级，协调控制级包括总控制单元以及与总控制单元连接的航行规划、系统电源管理、碰撞判断和处理、故障诊断和处理，数据采集存储和通讯控制单元以及与数据采集存储和通讯控制单元连接的GPS通讯系统、大容量存储器、传感器模块，传感器模块连接有航行控制传感器、任务测量传感器；

所述的现场执行级为现场执行器，用于完成伺服控制功能，包括航行控制系统、传感器模块调节控制系统、压载水舱注水控制系统和压载释放控制系统；

所述的航行控制系统由3路电机控制，均由依次连接的位置驱动器、直流无刷电机、传动机构组成，第一路电机控制的传动机构与螺旋桨连接，用于控制水下自航行平台的主推力；第二路电机控制的传动机构与垂直舵连接，用于控制水下自航行平台的航向；第三路电机控制的传动机构与水平舵连接，用于控制水下自航行平台的航行深度和纵倾；

所述的传感器模块调节控制系统由依次连接的位置驱动器、直流无刷电机、传动机构组成，用于控制所述传感器模块的旋转调平；

所述的压载水舱注水控制系统，由依次连接的位置驱动器、直流无刷电机、传动机构组成，用于向压载水舱注水，控制水下自航行平台的下沉；

所述的压载释放控制系统为并关量控制，用于完成水下自航行平台主体与其压载水舱的分离，由驱动继电器、捆绑导线和释放机构组成；水下自航行平台完成测量任务后，系统发出释放命令，通过所述的驱动继电器接通所述捆绑导线的电源，捆绑导线牺牲，释放机构打开。

2、根据权利要求1所述的一种水下自航行平台控制系统，其特征是，它还包括主体自毁控制系统，主体自毁控制系统由设置在靠近水下自航行平台主舱前部的自毁注水阀和一路开关量继电器控制系统组成；当主体上浮并完成数据发射后，在所述执行控制单元的控制下，所述控制系统打开注水阀，向主体空腔内注水。

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