CN203588074U - 一种小型自治水下机器人控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种小型自治水下机器人控制系统，包括：水面支持部分、控制主体、数据采集设备、通信设备、电源管理模块和推进系统模块；所述控制主体与数据采集设备、电源管理模块、推进系统模块连接，还通过通信设备与水面支持部分连接。本实用新型使用三种数据传输手段：以太网作为控制系统内计算机之间的大数据量传输的通信方式，以CAN总线作为系统内状态监测和执行器控制信号通信方式，以串口通信作为传感器数据采集通信方式，三种数据传输手段同时具备使得系统兼具简洁快速可靠安全的特性。
Description
技术领域
本实用新型涉及水下机器人控制系统，具体地说是一种小型便携式自治水下机器人为了适应模块化设计而采用的控制系统。
背景技术
水下机器人作为一种替代或者协助人类探索海洋开发海洋的智能工具在本世纪得到了极大的重视。在近海、湖泊与水库等相对水深较浅的地域，小型自治水下机器人（以下简称小型AUV）以其便携性、易用性、低成本等特点，在水下水文环境监测与水下侦查等方面得到了广泛的应用。
对于小型AUV，在工作可靠的前提下，模块化与易维护是延长其使用周期的重要保障。设计出一种针对小型AUV的，简单可靠，易于理解与操作维护的控制系统结构是广大设计使用人员的迫切需求。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种小型AUV控制系统，对小型AUV可能安装的设备及可能执行的使命进行了综合考虑，保证在此种控制系统下小型AUV载体既能够保证安全可靠地完成控制任务，也方便后期的维护与扩展升级。
为达到上述目的，本实用新型的通过以下技术方案来实现的：
一种小型自治水下机器人控制系统，包括：水面支持部分、通信装置、控制主体、数据采集设备、电源管理模块和推进系统模块；所述控制主体与数据采集设备、电源管理模块、推进系统模块连接，还通过通信装置与用于监控水下机器人的水面支持部分连接。
所述的数据采集设备包括多普勒计程仪、电子罗盘、全球定位系统、深度计、机械陀螺、侧扫声呐以及温盐深传感器。
所述通信装置包括水声通信机、铱星模块、无线电模块、无线网桥和脐带电缆接头。
所述的控制主体包括通过网络顺序连接的主控计算机、交换机和测量计算机；所述主控计算机通过串口与多普勒计程仪、电子罗盘、全球定位系统、水声通信机、铱星、无线电连接，通过扩展数据采集板与深度计、机械陀螺连接，通过CAN总线接口与电源管理模块、推进系统模块连接；所述交换机与无线网桥、脐带电缆接头连接；所述测量计算机与侧扫声呐、温盐深传感器连接。
所述主控计算机和交换机还具有扩展接口。
本实用新型具有以下有益效果及优点：
1.本实用新型使用三种数据传输手段：以太网作为控制系统内计算机之间的大数据量传输的通信方式，以CAN总线作为系统内状态监测和执行器控制信号通信方式，以串口通信作为传感器数据采集通信方式，三种数据传输手段同时具备使得系统兼具简洁快速可靠安全的特性。
2.本实用新型使用四种水面通信手段与一种水下通信手段：铱星通信适合全球范围内超远距离小数据量通信，无线电适合一公里可视范围内较大数据量通信，无线网桥适合近距离大数据量通信，脐带电缆适合在调试阶段超近距离大数据量通信；水声通信机保证在水下也可以有数据交换。
3.本实用新型可以根据不同设备对接口的要求方便的进行扩展，由于使用SBS可定制的嵌入式PC/104并且控制系统采用了常见的三种数据传输方式，对于以后的扩展传感器基本上可以满足其对接口方式和数量上的要求。
附图说明
图1为本实用新型的控制系统总体结构示意图；
其中，1水面支持部分，2主控计算机，3交换机，4测量计算机，5电源管理模块，6推进系统模块，7CAN的扩展接口，8多普勒计程仪，9电子罗盘，10全球定位系统，11水声通信机，12铱星模块，13无线电模块，14脐带电缆接头，15无线网桥，16网络扩展接口，17串口的扩展接口，18深度计，19陀螺，20AD扩展接口，21侧扫声呐，22温盐深传感器，101通信设备，102通信装置，201以太网接口，202串口，203CAN总线接口，204扩展数据采集板。
具体实施方式
为了使本实用新型实现的手段、特征、达成目的与功效易于明白，下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明。
一种小型自治水下机器人控制系统，包括：水面支持部分、控制主体、数据采集设备、通信设备、电源管理模块和推进系统模块。各部分联结方法主要包括三种：CAN总线，以太网和串口。
本装置使用铱星、无线电、无线网桥和脐带电缆四种数据传输方式。铱星覆盖范围广，传输距离远但是有数据延迟并且传输数据量小；无线电传输距离短但是数据延迟小并且可以传输较大量数据；无线网桥传输距离更短且信号稳定性稍差但是数据传输量大且无数据延迟；脐带电缆适合岸上调试使用，无数据延迟且数据传输量大，信号稳定。以上4种数据传输方式可以在不同情况下选择一种或者多种进行数据传输。
数据采集设备和控制主体之间的数据传输取决于设备本身使用的接口，控制主体允许使用的数据传输接口包括串口RS232接口和以太网接口，并且提供A/D转换接口满足4～20mA或者0～5V等常见的模拟量输入。
控制主体提供包括以太网接口、CAN总线接口和串口RS232接口在内的扩展接口，可以方便的将不同接口的新设备连接到控制主体上。控制主体包括主控计算机、交换机和测量计算机。控制主体之间使用网络作为数据传输方式。控制主体和水面支持部分之间共有5种方式可以进行数据交换，包括水下通信和水面通信两部分，水下通信包括水声通信机11，水面通信包括铱星模块12、无线电模块13和无线网桥15，脐带电缆14适用于近距离水下或者水面调试（距离取决于水密电缆长度）。
所述的水面支持部分为内置通信设备101的水面控制系统，通过通信设备为水面上小型AUV的操作人员提供载体实时航行状态监测并进行航行使命控制。通信设备101包括船载水声通信机，岸基铱星模块，岸基无线电模块，岸基无线网桥和脐带电缆插座，与水声通信机11、铱星模块12、无线电模块13、无线网桥15和脐带电缆接头14对应连接并通信。
所述的主控计算机是控制系统核心，采用SBS嵌入式PC/104，控制板包括至少6个串口接口，至少1个以太网接口和CAN接口，还有一个扩展的数据采集板进行部分A/D数据采集和I/O检测输出，主控计算机运行定制Linux或者类UNIX系统，接收传感器采集到的数据并进行处理，最终控制各设备的通断并控制推进系统做出反应。
所述的测量计算机是测量部分的核心，采用SBS嵌入式PC/104，包括至少两个以太网接口和一个串口，用于测量部分传感器设备的控制与数据存放，测量系统内感器主要指的是CTD和侧扫声呐。
所述的交换机是控制系统内网络交换节点，采用MOXA工业级产品内部核心板，交换机上连接的设备有主控计算机，测量计算机，无线网桥以及脐带电缆接头。
所述的通信设备主要包括脐带电缆接头，无线网桥，铱星模块，无线电模块和水声通信机，所有通信设备数据流向均为双向，既可以接受数据也可以发送数据。
所述的数据采集设备主要包括电子罗盘（TCM），全球定位系统（GPS），多普勒计程仪（DVL），温盐深传感器（CTD），侧扫声呐，机械陀螺，深度计；数据采集设备只输出数据，其中除侧扫声呐采用以太网接口传输数据，机械陀螺与深度计采用电压模拟量之外，其他设备均采用串口。
所述的电源管理模块主要包括提供供电电源的电池组和提供CAN接口的电源状态采集电路板；所述的推进系统模块主要包括提供CAN接口的电机与舵机控制电路板和相应的推进设备；二者的数据传输与控制使用CAN总线接口。
图1为本实用新型的系统结构示意图。
水面支持部分1为水面控制系统，主要通过通信设备101与小型AUV控制主体进行通信，通信设备包括水声通信机11，铱星模块12，无线电模块13，脐带电缆14和无线网桥15。
主控计算机2为SBS SGX1嵌入式PC/104模块，运行Linux系统，该模块有1个以太网接口201，6个通用串口202，1个CAN总线接口203和扩展数据采集板204，扩展数据采集板204采用SBS ADT650，通过104总线直接连接在主控计算机2上，204主要包括8路12位差分A/D转换和24路数字I/O。
交换机3使用的是MOXA EDS-205-A-T工业宽温5口交换机，可保证在-40～75℃下正常工作。测量计算机4为SBS SPT2F嵌入式PC/104模块，运行Linux系统，该模块有2个以太网接口，2个通用串口。电源管理模块5与推进系统模块6都通过CAN总线传输状态信息和控制信息。
DVL8使用的是TDI公司的ExplorerDVL,工作频率614.4kHz，TCM9使用的是PNI公司的TCM3，GPS10使用的是GARMIN15L OEM GPS模块，水声通信机11使用的是EvoLogics S2CR，铱星12使用的是SBD9602透传模块，CTD22使用的是SST CTD48，以上设备都支持RS232串口数据传输。无线电13使用的是Digi XTend900MHz无线模块，使用芯片将其数据类型从TTL转换为RS232。脐带电缆14包括网线接头，可以将外部计算机通过网线连接到脐带电缆上，从而通过交换机读取主控计算机2的数据。无线网桥15使用的是UBiQUiTiM2-HP，水面连接距离可以达到200米左右。深度计18使用的是AST4000，差分模拟电压输出，机械陀螺使用CRS03-02，模拟电压输出。侧扫声呐使用的是Imagenex公司的以太网接口Sidescan。扩展7、扩展16、扩展17、扩展20可以很方便的通过不同连接方式扩展到控制系统之中。
控制系统内使用网络作为大数据量信息的传输方式，水面支持部分1、主控计算机2、交换机3、测量计算机4通过网络连接到一起，从而共享数据并可以使用水面支持部分通过无线网桥15进行远程操作，极大地提高了小型AUV使用的便捷性。
在小型AUV中，由于数据通信距离很短且数据量不大，大部分传感器设备都采用RS232串口数据传输，侧扫声呐由于数据量大所以采用网络进行数据传输。控制命令主要通过CAN总线进行传递，保证其可靠性和安全性，而且CAN节点可以很方便的加入到系统之中去。
本系统的工作原理为：
1.在系统启动之后，操作人员在岸上通过无线网桥15（小型AUV如果在岸上可以使用脐带电缆14）设定系统初始参数与载体工作模式。
2.主控计算机2根据设定的参数与模式通过电源管理模块确定系统内各设备的初始开关动作，当载体在水面上时通过铱星或者无线电返回系统状态，在水下时通过水声通信机返回系统状态。状态正常则操作人员通过通信设备（11、12、13、14、15）向主控计算机2发送命令，控制系统接到命令后开始执行预定水下或者水面使命。
3.控制系统内主控计算机2从电源管理模块、推进系统模块和数据采集设备读取载体和环境状态信息，经过内部数据处理之后生成下一步的动作指令，并且通过CAN总线向推进系统模块发送运动控制指令，控制载体的运动状态。
4.当使命执行完毕之后，控制系统发送命令控制推进系统模块使得载体返回初始点或者上浮到水面停止动作。水面操作人员通过通信设备确定载体位置与状态，通过无线网桥从主控计算机2或者测量计算机4下载上一使命数据，分析之后决定下一步动作（回收或者继续执行使命）。
5.如果继续执行使命则重复上述1～4过程，如果结束使命回收载体则通过通信设备保存系统数据并关闭控制系统内计算机。
Claims (5)
1.一种小型自治水下机器人控制系统，其特征在于包括：水面支持部分（1）、通信装置（102）、控制主体、数据采集设备、电源管理模块（5）和推进系统模块（6）；所述控制主体与数据采集设备、电源管理模块（5）、推进系统模块（6）连接，还通过通信装置（102）与用于监控水下机器人的水面支持部分（1）连接。
2.根据权利要求1所述的一种小型自治水下机器人控制系统，其特征在于：所述的数据采集设备包括多普勒计程仪（8）、电子罗盘（9）、全球定位系统（10）、深度计（18）、机械陀螺（19）、侧扫声呐（21）以及温盐深传感器（22）。
3.根据权利要求1所述的一种小型自治水下机器人控制系统，其特征在于：所述通信装置（102）包括水声通信机（11）、铱星模块（12）、无线电模块（13）、无线网桥（15）和脐带电缆接头（14）。
4.根据权利要求1所述的一种小型自治水下机器人控制系统，其特征在于：所述的控制主体包括通过网络顺序连接的主控计算机（2）、交换机（3）和测量计算机（4）；所述主控计算机（2）通过串口与多普勒计程仪（8）、电子罗盘（9）、全球定位系统（10）、水声通信机（11）、铱星（12）、无线电（13）连接，通过扩展数据采集板（204）与深度计（18）、机械陀螺（19）连接，通过CAN总线接口（203）与电源管理模块（5）、推进系统模块（6）连接；所述交换机（3）与无线网桥（15）、脐带电缆接头（14）连接；所述测量计算机（4）与侧扫声呐（21）、温盐深传感器（22）连接。
5.根据权利要求4所述的一种小型自治水下机器人控制系统，其特征在于：所述主控计算机（2）和交换机（3）还具有扩展接口。
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