【技术实现步骤摘要】
一种流体驱动双航态海洋无人航行器的控制系统及方法
本专利技术涉及海洋航行器控制
，具体地，涉及一种流体驱动双航态海洋无人航行器的控制系统及方法。
技术介绍
针对海气界面、边界流等高时空变率的海洋现象，对特定海域进行水面、水下多维度观测已成为当今海洋研究中的热点。目前国内外的海洋无人移动观测平台，如Argo、Glider、AUV等，多采用单模式工作方式，仅能在水面或水下进行观测工作，无法满足对海洋水面、水下多域立体的观测需求。流体驱动双航态海洋无人航行器是一种新型的海洋无人移动观测平台，采用变构型方式在水面与水下两种工作模式中借助自然环境中的气流或水流均具备长距离航行能力。此航行器控制系统需要执行水面、水下以及模式切换三种工作模式的独立控制，以控制风帆转角获取最大风气流推力，控制航行姿态借助水流滑翔运动，控制液压单元实现构型变换与模式切换，此外对航行器的航向、浮性状态、电源、通讯、数据采集存储等实施控制与监管。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种流体驱动双航态海洋无人航行器的控制系统及方法，在水面航行状态中通过对风帆、尾舵等单元的控制实现气流驱动航行；在水下航行状态中通过对航行器浮力以及航姿的控制实现水流驱动滑翔航行。所述控制系统及方法还可根据控制指令实施航态切换并实施航态切换过程控制。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种流体驱动双航态海洋无人航行器的控制系统，所述控制系统包括液压控制器、风帆控制器、切换控制器、应急控制器和导航通讯控制...
【技术保护点】
1.一种流体驱动双航态海洋无人航行器的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括液压控制器、风帆控制器、切换控制器、应急控制器和导航通讯控制器，各控制器由中央控制盒进行统一控制及管理；所述中央控制盒在物理上划分为CPU板和POWER板两个模块；所述中央控制盒由24V DC外部电池供电，供电线经舱壁开关接入POWER板，POWER板通过内部设置的DC-DC变压模块进行电压变换得到有12V DC和6V DC，6V DC用于为外部备用设备供电；12V DC用于为执行器和传感器供电；控制系统通过若干个I/O端口控制24V固态继电器为24V DC执行器供电；/n所述CPU板上布置有嵌入式微处理器、数字电路和模拟电路，所述CPU板通过DC-DC变压模块将POW板的6V DC变换得到3.3V DC为数字电路供电；CPU板通过DC-DC变压模块将POW板的6V DC变换得到5V DC为CPU板内集成的传感器及模拟电路供电；CPU板通过流保护模块和DC-DC变压模块输出5V DC为外部5V DC传感器供电。/n
【技术特征摘要】
1.一种流体驱动双航态海洋无人航行器的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括液压控制器、风帆控制器、切换控制器、应急控制器和导航通讯控制器，各控制器由中央控制盒进行统一控制及管理；所述中央控制盒在物理上划分为CPU板和POWER板两个模块；所述中央控制盒由24VDC外部电池供电，供电线经舱壁开关接入POWER板，POWER板通过内部设置的DC-DC变压模块进行电压变换得到有12VDC和6VDC，6VDC用于为外部备用设备供电；12VDC用于为执行器和传感器供电；控制系统通过若干个I/O端口控制24V固态继电器为24VDC执行器供电；
所述CPU板上布置有嵌入式微处理器、数字电路和模拟电路，所述CPU板通过DC-DC变压模块将POW板的6VDC变换得到3.3VDC为数字电路供电；CPU板通过DC-DC变压模块将POW板的6VDC变换得到5VDC为CPU板内集成的传感器及模拟电路供电；CPU板通过流保护模块和DC-DC变压模块输出5VDC为外部5VDC传感器供电。
2.根据权利要求1所述的一种流体驱动双航态海洋无人航行器的控制系统，其特征在于，控制系统基于ARMCortexTM-M3内核的STM32F1系列32位嵌入式微处理器设计，具有9路全双工串行数字通讯接口、8路通过SPI总线扩展的16位A/D通道以及14路24V固态继电器；在数据存储方面控制系统采用NorFlash+NandFlash形式，用NorFlash存储控制参数和规划航线，用NandFlash存储任务数据，NorFlash和NandFlash均采用双余度方案，两个余度同时存储备份；NorFlash采用2片16Mbits的工业级芯片，NandFlash采用2片4GByte的工业级芯片，为任务数据存储预留空间。
3.根据权利要求1所述的一种流体驱动双航态海洋无人航行器的控制系统，其特征在于，所述液压控制器通过若干个I/O端口分别对执行器液压泵、回油阀、排油阀、切换阀、举帆阀、降帆阀进行通断控制，通过1路模拟量采样接口接收液位计的测量信息；
所述风帆控制器由2路RS232串口分别接收风向传感器、风速传感器的采集信息，通过模拟量A/D采样接口接收转帆角度传感器测量信息；风帆控制器通过I/O端口实施转帆角调控电机的转动控制；
所述切换控制器通过2路数字通讯接口分别检测上部水位探头与下部水位探头反馈的电平值变化，通过两个I/O端口分别对进水水泵与排水水泵进行通断控制；
所述应急控制器由3路模拟量A/D采样接口分别接收来自真空度传感器、电压检测传感器、电流检测传感器的测量信号，由1路数字通讯接口接收来自漏水检测传感器的电位信号，通过I/O端口实施执行器抛载重物的通断控制；
所述导航通讯控制器由4路RS232串口分别与无线通讯模块、卫星通讯模块、电子罗盘、尾舵进行双向信息交换，由2路模拟量A/D采样接口接收深度计与俯仰调控位移传感器的测量信号，通过I/O端口实施俯仰姿态调控电机的转动控制，通过三个I/O端口分别对尾舵、无线通讯模块、卫星通讯模块进行通断控制。
4.根据权利要求1或3所述的一种流体驱动双航态海洋无人航行器的控制系统，其特征在于，所述应急控制器通过真空度传感器、漏水检测传感器、电压检测传感器、电流检测传感器对控制系统状态进行实时检测，并对电源电量不足、工作超时、下潜超深、密封舱漏水、通讯异常、供电故障非正常运行状态做出反应：当控制系统判断发生非正常运行状态时，所述应急控制器激活抛载执行器将抛载重物抛离航行器，使航行器在应急情况下获得正浮力而脱险。
5.一种流体驱动双航态海洋无人航行器的控制方法，其特征在于，包括以下内容：
当航行器处于水下航行模式，通过控制系统的液压控制器调节航行器自身浮力，通过导航通讯控制器调节航行姿态，利用运动迎面水流施加的水动力实现升沉运动与水平行进，以锯齿形轨迹在水下滑翔航行；
当航行器处于航行切换模式，通过控制系统的液压控制器完成风帆、翼龙骨的位姿变换，通过切换控制器调节航行器储备浮力量，满足水面、水下两种航行模式对航行器浮性的要求；所述航行切换模式包括航行器由水下向水面切换模式和航行器由水面向水下切换模式；
当航行器处于水面航行模式，通过控制系统的风帆控制器调控风帆始终处于最佳转帆角位置，最大效率地利用海洋风施加的气动力驱动航行器在水面航行。
6.根据权利要求5所述的一种流体驱动双航态海洋无人航行器的控制方法，其特征在于，在水下航行模式下具体包括以下步骤：
步骤A1：岸站(母船)发送的水下航行模式任务指令由航行器的导航通讯控制器接收后，航行器控制系统激活液压控制器进入回油阶段，所述液压控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口对液压泵及回油阀上电，回油阀打开、液压泵启动将油液由外油囊吸入内油箱，液位计通过模拟信号将内部油箱内油量实时反馈至液压控制器，当内油箱油量达到回油设定值后液压控制器关闭回油阀、液压泵，此时航行器自身重力大于所受浮力并开始下潜，回油阶段结束；
步骤A2：控制系统激活导航通讯控制器进入下潜滑翔阶段，导航通讯控制器通过电子罗盘获得航行器俯仰角β与航向角α，若测得航行俯仰角β与目标俯仰角β’偏差超过10°，则导航通讯控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口对俯仰姿态调控电机上电，开启俯仰姿态调控电机通过移动俯仰调节重块位置以改变航行器俯仰角度，若俯仰角与设定角度偏差小于5°，则关闭俯仰姿态调控电机；姿态调节期间，俯仰调控位移传感器通过模拟信号将调节重块位置反馈回导航通讯控制器，实现俯仰姿态调控电机的半闭环控制；若测得航行器航向与设定航向偏差超过10°，则导航通讯控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口对尾舵上电，开启舵机通过改变方向舵角度以利用水流施加的水动侧向力改变航向，若航行器航向与设定航向偏差小于5°，则导航通讯控制器控制舵机回归零位并关闭舵机；下潜滑翔阶段中，深度计测量当前水下深度值并通过模拟信号通道反馈至导航通讯控制器，当深度到达设定下潜深度时下潜滑翔阶段结束；
步骤A3：控制系统激活液压控制器进入排油阶段，经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口对液压泵及排油阀上电，排油阀打开、液压泵启动将油液由内油箱推入外油囊，液位计通过模拟信号将内部油箱内油量实时反馈至液压控制器，当内油箱油量达到排油设定值后液压控制器关闭排油阀、液压泵，此时航行器所受浮力大于自身重力并开始上浮，排油阶段结束；
步骤A4：控制系统激活导航通讯控制器进入上浮滑翔阶段，导航通讯控制器通过罗盘获得航行器当前姿态与航向信息，若测得俯仰角与设定角度偏差超过10°，则导航...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨亚楠，刘冰汐，王树新，兰世泉，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12
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