水下自航行平台控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种水下自航行平台的控制系统，本发明专利技术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。本发明专利技术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。

Underwater self navigating platform control system

The control system of self navigation platform of the invention discloses an underwater, the underwater self navigation platform control system including the organization level, the coordination level and field execution level are connected by CAN bus, the organization composed of micro computer control; coordination control including the total control unit and is connected with the main control unit the navigation system planning, power management, collision judging and processing, fault diagnosis and processing, data acquisition and storage and communication control unit and the GPS communication system, connected with the communication control unit and data acquisition and storage of the large capacity storage device, sensor module, sensor module is connected with a navigation control sensor, sensor; navigation control system consists of 3 the way of motor control by the drive, position, connected DC brushless motor and a transmission mechanism. The invention adopts a hybrid control system structure, which is easy to expand and improves the reliability of the system. The navigation control system adopting a propeller and two pairs of rudder functions is comprehensive, simple and reliable.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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，本专利技术具有以下有益效果(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是本专利技术水下自航行平台总体控制系统结构示意图；图2是本专利技术的执行控制器的电路原理图；图3是本专利技术的电机控制系统示意图；图4是本专利技术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是本专利技术的传感器模块(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是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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 57ADCP58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专利技术作详细描述。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王树新，侯巍，温秉权，何漫丽，杨晓华，梁捷，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]