一种用于AUV水下对接装置的控制系统及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于AUV水下对接装置的控制系统及方法，系统包括：位于水下的通信协议转换器、交换机、下位机控制器、自动充电电路、控制管理电路、电源转换电路、传感器以及传动机构；位于水上的控制计算机、大功率直流电源、交换机等。水下部分被密封在电子舱内，并提供对外接口，实现控制传动机构、采集传感器反馈信息、为AUV电池组充电、下载数据等功能；水上部分通过电缆与电子舱相连接，完成监控、数据存储、下达指令等功能。系统既可以配合AUV，自主控制完成水下对接过程，也可以根据各传感器的反馈信息，实时判断AUV的状态，人为控制完成对接过程。这样在水下完成对AUV的能源补给和数据采集，避免了重复布放回收所带来的不便。

A Control System and Method for AUV Underwater Docking Device

The present invention relates to a control system and method for AUV Underwater Docking device, which includes communication protocol converter, switch, lower computer controller, automatic charging circuit, control and management circuit, power conversion circuit, sensor and transmission mechanism, control computer, high power DC power supply, switch, etc. The underwater part is sealed in the electronic cabin and provides external interface to control the transmission mechanism, collect feedback information from sensors, charge AUV batteries and download data. The underwater part is connected with the electronic cabin by cable to complete the functions of monitoring, data storage and instruction delivery. The system can not only cooperate with AUV and control the underwater docking process independently, but also judge the state of AUV in real time according to the feedback information of each sensor, and accomplish the docking process by artificial control. In this way, AUV energy supply and data acquisition can be completed underwater, which avoids the inconvenience caused by repeated distribution and recovery.

【技术实现步骤摘要】
一种用于AUV水下对接装置的控制系统及方法
本专利技术涉及AUV的水下对接过程，具体的说是一种用于AUV水下对接装置的控制系统及方法。
技术介绍
目前，多数AUV采用电能作为动力，而电能来自于所携带的电池组。尽管能量密度较低，但考虑到成本、寿命、方便性、可维修性、安全性等因素，电池在较长时间内仍将占据主导的地位。另外，AUV上加挂有大量的探测设备，因此会采集大量的海洋信息，需要及时的回传给陆上。因此，目前AUV在执行一定时间的任务后就必须回收进行电能补充和数据的上传。由于作业环境的不确定性，每次对潜水器的施放和回收都是一项十分繁琐的工作，需要大量的工人、花费较长的时间，并且还需要合适的船只甲板配合吊放设备。因此开发一套可以对AUV进行水下对接装置的必要性就凸显了出来。根据接收方式的不同，水下对接装置主要分为3类，分别是捕捉式对接、平台式对接和包容式对接。捕捉式对接对航行器结构要求比较高，同时对航行器性能有一定影响；平台式对接装置在回收过程中，由于AUV与回收平台的几何尺寸存在差异，因此会受到运动流场边界形状、自身运动姿态、相对平台方位和距离等因素的影响，产生影响较大的干扰；包容式对接装置采用逐渐缩小入口的引导结构，使AUV进入到对接位置。这种方式对AUV改造较小，整体结构简单，因此得到了较多应用。
技术实现思路
针对现有AUV水下电能补给、信息交互的需求，本专利技术所采用的技术方案是：一种用于AUV水下对接装置的控制系统及方法。一种用于AUV水下对接装置的控制系统，包括水面控制单元、水下电子舱控制单元，之间通过以太网和能源电缆连接，实现从水下到水上长距离数据传输和电能供给；所述水面控制单元，由控制计算机输出控制指令并通过水面交换机输出，由直流电源输出电能经能源电缆输出；所述水下电子舱控制单元包括：下位机控制器、控制管理电路、自动充电电路、通信协议转换器、电源转换电路；下位机控制器连接控制管理电路、自动充电电路、通过水下交换机连接通信协议转换器；通信协议转换器分别连接无线电和接插件，用于下位机控制器与AUV之间的数据传输；控制管理电路连接水下对接装置，实时检测AUV的姿态以及接插件是否对接成功；自动充电电路连接水下对接装置的接插件用于给AUV补充电能；电源转换电路用于将水面控制单元的直流电源转换为预设电压提供给水下电子舱控制单元内的各个设备。所述水下对接装置包括位置传感器、传动机构、接插件、锁紧机构；所述位置传感器用于在控制管理电路的控制下实时反馈AUV、接插件的状态；所述锁紧机构用于在控制管理电路的控制下锁紧AUV；所述传动机构用于在控制管理电路的控制下带动接插件连接AUV；所述接插件为电能补充和数据传输的插头，一端连接AUV，另一端与自动充电电路连接形成充电回路、与通信协议转换器连接形成通信回路，实现对AUV的电能补给和数据传输；所述位置传感器包括入位位置开关、锁紧位置开关、接插件位置开关；所述入位位置开关安装在水下对接装置上用于检测AUV是否进入对接装置；锁紧位置开关安装在在锁紧机构上用于检测AUV是否被锁紧；接插件位置开关安装在接插件上用于检测接插件是否与AUV连接成功。所述通信协议转换器包括RS232、RS485、RJ45接口；所述下位机控制器能够存储并运行控制程序，并提供32模拟量输入通道，24路I/O输出，4路8位PWM输出。所述自动充电电路包括：充电电路、测试电路；所述充电电路用于通过内部的控制器和驱动器电路控制IGBT功率开关的通断，为连接在充电电路输出端的AUV电池组充电；所述测试电路连接充电电路的输出端，用于在控制器的控制下测量充电电路的绝缘状态、判断电池组是否成功接入以及是否可以开始充电；所述充电电路包括：在充电电源正极与输出端正极之间依次连接的IGBT功率开关和第一二极管、在充电电源负极与输出端负极之间依次连接的主继电器和第二二极管，以及控制器和与其分别连接的驱动器电路、硬件保护电路、主继电器，驱动器电路还连接IGBT功率开关的控制端、硬件保护电路，硬件保护电路还连接充电电路电流传感器；所述控制器输出PWM方波信号驱动驱动器电路控制IGBT功率开关的通断，为连接在输出端的AUV电池组充电；硬件保护电路用于检测并判断充电回路电流值是否超限并报警给控制器、输出关断信号给驱动器电路从而IGBT功率开关；主继电器用于控制充电回路的通断；所述控制器能够运行控制程序，提供32模拟量输入通道，24路I/O输出，4路8位PWM输出；所述驱动器电路以HCPL-316J集成门极驱动芯片为控制器件，电路驱动IGBT的最高集电极电流为150A，最高集电极、发射极电压为1200V；所述硬件保护电路采用比较器电路用于检测充电回路电流值是否超限；所述充电电源提供400V的充电电压，并且最大的充电电流20A；所述测试电路包括依次连接在充电回路之间的的限流电阻、测试电源、测试电路电流传感器、测试继电器，以及用于检测测试电路电压的测试电路电压传感器。所述控制管理电路通过内部的驱动器和继电器控制锁紧机构锁紧AUV、控制传动机构带动接插件连接AUV。一种用于AUV水下对接装置的控制方法，包括：水面控制计算机输出指令给下位机控制器执行以下步骤：步骤1：判断AUV是否进入对接装置，并调整其姿态和锁紧AUV；步骤2：控制水下对接装置的接插件连接AUV、并判断接插件是否到位；步骤3：通过自动充电电路检测充电回路的绝缘状态；步骤4：控制充电回路给AUV补充电能，控制通信回路与AUV之间的数据传输；直到完成电能补充和数据传输，将数据上传给水面控制计算机；步骤5：输出控制指令依次断开接插件，打开锁紧机构，并发送无线电告知AUV结束对接过程，退出对接装置。所述步骤1包括：步骤1.1：下位机控制器通过安装在水下对接装置上的入位位置开关反馈的入位信号，判断AUV是否进入对接装置，若是执行步骤1.2，否则重新执行步骤1.1；步骤1.2：下位机控制器通过无线电与AUV建立通信并发出指令，调整AUV的悬停姿态；步骤1.3：下位机控制器通过控制管理电路控制锁紧机构锁紧AUV；锁紧过程中，下位机控制器通过安装在锁紧机构上的锁紧位置开关反馈的锁紧到位信号判断AUV是否被锁紧到位；若锁紧到位则执行步骤2，若超过预设时间仍未锁紧到位，则AUV当时姿态不适合锁紧或者锁紧机构出现故障，放弃该次锁紧过程重新执行步骤1.3。所述步骤2包括：下位机控制器输出指令给控制管理电路，控制对接装置的传动机构将接插件连接AUV，建立与AUV之间的充电回路和通信回路；并通过接插件上的接插件位置开关反馈的插件位置信号判断接插件是否到位，若到位执行步骤3，否则重新执行步骤2。所述步骤3包括：自动充电电路中，控制器驱动测试继电器闭合接通测试电路，测试电路电流传感器检测测试电路电流值，如果电池组未对接完成或输出端正负极之间的绝缘值不足，第一二极管、第二二极管处于导通状态，则电流值超范围，则继续进行检测并等待；如果电池组接入完成，第一二极管、第二二极管处于反向截止状态，则测试回路电流值小于设定值，此时符合绝缘要求，控制器控制测试继电器断开测试电路，完成充电前测试，执行步骤4；否则执行步骤5结束此次对接过程并向AUV发送无线电根据实际情况判断是否重新进行对接。所述步骤4中的控制充电回本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于AUV水下对接装置的控制系统，其特征在于，包括水面控制单元、水下电子舱控制单元，之间通过以太网和能源电缆连接，实现从水下到水上长距离数据传输和电能供给；所述水面控制单元，由控制计算机输出控制指令并通过水面交换机输出，由直流电源输出电能经能源电缆输出；所述水下电子舱控制单元包括：下位机控制器、控制管理电路、自动充电电路、通信协议转换器、电源转换电路；下位机控制器连接控制管理电路、自动充电电路、通过水下交换机连接通信协议转换器；通信协议转换器分别连接无线电和接插件，用于下位机控制器与AUV之间的数据传输；控制管理电路连接水下对接装置，实时检测AUV的姿态以及接插件是否对接成功；自动充电电路连接水下对接装置的接插件用于给AUV补充电能；电源转换电路用于将水面控制单元的直流电源转换为预设电压提供给水下电子舱控制单元内的各个设备。

【技术特征摘要】
1.一种用于AUV水下对接装置的控制系统，其特征在于，包括水面控制单元、水下电子舱控制单元，之间通过以太网和能源电缆连接，实现从水下到水上长距离数据传输和电能供给；所述水面控制单元，由控制计算机输出控制指令并通过水面交换机输出，由直流电源输出电能经能源电缆输出；所述水下电子舱控制单元包括：下位机控制器、控制管理电路、自动充电电路、通信协议转换器、电源转换电路；下位机控制器连接控制管理电路、自动充电电路、通过水下交换机连接通信协议转换器；通信协议转换器分别连接无线电和接插件，用于下位机控制器与AUV之间的数据传输；控制管理电路连接水下对接装置，实时检测AUV的姿态以及接插件是否对接成功；自动充电电路连接水下对接装置的接插件用于给AUV补充电能；电源转换电路用于将水面控制单元的直流电源转换为预设电压提供给水下电子舱控制单元内的各个设备。2.按照权利要求1所述一种用于AUV水下对接装置的控制系统，其特征在于，所述水下对接装置包括位置传感器、传动机构、接插件、锁紧机构；所述位置传感器用于在控制管理电路的控制下实时反馈AUV、接插件的状态；所述锁紧机构用于在控制管理电路的控制下锁紧AUV；所述传动机构用于在控制管理电路的控制下带动接插件连接AUV；所述接插件为电能补充和数据传输的插头，一端连接AUV，另一端与自动充电电路连接形成充电回路、与通信协议转换器连接形成通信回路，实现对AUV的电能补给和数据传输；所述位置传感器包括入位位置开关、锁紧位置开关、接插件位置开关；所述入位位置开关安装在水下对接装置上用于检测AUV是否进入对接装置；锁紧位置开关安装在在锁紧机构上用于检测AUV是否被锁紧；接插件位置开关安装在接插件上用于检测接插件是否与AUV连接成功。3.按照权利要求1所述一种用于AUV水下对接装置的控制系统，其特征在于，所述通信协议转换器包括RS232、RS485、RJ45接口；所述下位机控制器能够存储并运行控制程序，并提供32模拟量输入通道，24路I/O输出，4路8位PWM输出。4.按照权利要求1所述一种用于AUV水下对接装置的控制系统，其特征在于，所述自动充电电路包括：充电电路、测试电路；所述充电电路用于通过内部的控制器和驱动器电路控制IGBT功率开关的通断，为连接在充电电路输出端的AUV电池组充电；所述测试电路连接充电电路的输出端，用于在控制器的控制下测量充电电路的绝缘状态、判断电池组是否成功接入以及是否可以开始充电；所述充电电路包括：在充电电源正极与输出端正极之间依次连接的IGBT功率开关和第一二极管、在充电电源负极与输出端负极之间依次连接的主继电器和第二二极管，以及控制器和与其分别连接的驱动器电路、硬件保护电路、主继电器，驱动器电路还连接IGBT功率开关的控制端、硬件保护电路，硬件保护电路还连接充电电路电流传感器；所述控制器输出PWM方波信号驱动驱动器电路控制IGBT功率开关的通断，为连接在输出端的AUV电池组充电；硬件保护电路用于检测并判断充电回路电流值是否超限并报警给控制器、输出关断信号给驱动器电路从而IGBT功率开关；主继电器用于控制充电回路的通断；所述控制器能够运行控制程序，提供32模拟量输入通道，24路I/O输出，4路8位PWM输出；所述驱动器电路以HCPL-316J集成门极驱动芯片为控制器件，电路驱动IGBT的最高集电极电流为150A，最高集电极、发射极电压为1200V；所述硬件保护电路采用比较器电路用于检测充电...

【专利技术属性】
技术研发人员：李默竹，郑荣，于闯，任福琳，梁洪光，张斌，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21