专利名称：一种水下滑翔机用低功耗控制系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及低功耗、嵌入式控制技术，具体说是一种适用于长时间作业的水下滑 翔机用低功耗控制系统及其控制方法。
背景技术：
水下滑翔机是一种将浮标、潜标技术与水下机器人技术相结合而研制出的一种无 外挂推进装置、依靠自身浮力驱动的新型水下测量系统，主要负责水下滑翔机下潜作业时 海洋环境数据采集与存储、路径规划、运动姿态控制、通信链路建立、数据传输、使命任务接 收与解释、系统状态监测以及系统出错应急处理等。水下滑翔机具有作业范围广、作业时间 长、机动可控、可重复利用等特点，是一种自带能源的水下测量平台，其最大连续作业时间 可达数月。由于水下滑翔机的长作业时间，使得水下滑翔机控制系统的消耗了大部分自带 能源，因此需要设计低功耗、适用于水下滑翔机的控制系统，以降低水下滑翔机控制系统功 耗是非常有必要的，可以直接提高水下滑翔机的续航能力。当前大多数水下机器人控制系 统都采用基于PC104的嵌入式计算机和相应的扩展板卡构成，如AD转换板、数据IO板和串 口板等。这种基于PC104的控制系统具有技术成熟、开发方便、处理能力强等特点，可适用 于大多数作业时间较短的水下机器人系统。但是，由于基于PC104控制系统的功耗较大，已 经不适合于像水下滑翔机这种自带能源、作业时间长的水下机器人系统，因此需要重新开 发一种适用于水下滑翔机的低功耗控制系统。具有低功耗的水下滑翔机控制系统尚未见报 道。
发明内容
针对现有技术中存在的控制系统的功耗较大等不足之处，本发明要解决的技术问 题是提供一种性能可靠的水下滑翔机用低功耗控制系统及其控制方法。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是本发明一种水下滑翔机用低功耗控制系统具有嵌入式控制装置、通信定位装置、 数据采集装置、能源管理装置以及伺服控制装置，以嵌入式控制装置为控制核心，经由串口 总线与数据采集装置以及通信定位装置进行数据通信交互；嵌入式控制装置的控制输出端 接有伺服控制装置；嵌入式控制装置经IO接口连接能源管理装置。所述嵌入式控制装置包括核心处理模块、串口扩展模块、AD扩展模块、DA扩展模 块、IO接口以及极低功耗的多功能日历模块、SRAM、FLASH和SD存储卡；核心处理模块通过 SPI总线接口连接串口扩展模块，再经由串口总线连接数据采集装置和通信定位装置；核 心处理模块通过SPI总线接口经由AD扩展模块连接接数据采集装置；核心处理模块通过 1 总线经由DA扩展模块与伺服控制装置相连；核心处理模块经IO接口与能源管理装置相 连，核心处理模块通过第一串口与第二串口连接通信定位装置；核心处理模块由极低功耗 的多功能日历模块提供时间信息，通过SRAM、FLASH以及SD存储卡存储数据和嵌入式控制 程序。
所述能源管理装置包括电源变换模块和电源控制模块，其中电源控制模块(通过 电源变换模块与嵌入式控制装置的IO接口相连，电源控制模块的输出端通过光耦继电器 接至滑翔机用低功耗控制系统的工作电源。所述通信定位装置包括卫星通信模块、无线通信模块和定位模块，嵌入式控制装 置的核心处理模块通过第一串口与第二串口分别连接卫星通信模块、无线通信模块，通过 定位装置获取当前滑翔机载体的绝对物理位置送至核心处理模块。所述数据采集装置包括位姿采集模块和传感器测量模块，其将采集到的水下滑翔 机工作深度、工作电压、工作电流以及载体内压通过嵌入式控制装置的AD扩展模块送至核 心处理模块。所述伺服控制装置包括浮力调节模块、俯仰调节模块以及横滚调节模块元，对滑 翔机载体姿态的调节即俯仰角度、横滚角度、航向角度以及实现水下滑翔机上升与下潜。本发明系统还具有应急处理装置，其包括避碰模块和抛载模块，避碰模块将水下 滑翔机的系统工作电流、工作电压、电池剩余容量，漏水状态、水下滑翔机载体内压、传感器 状态、电机工作状态、避碰状态、文件系统状态、速度状态的各类检测信号经由嵌入式控制 装置的串口总线和串口扩展模块与核心处理模块相连，抛载模块接收嵌入式控制装置的输 出信号实施对系统安全状态监测与应急抛载控制。本发明一种水下滑翔机用低功耗控制方包括以下步骤开始，系统初始化，启动所有驱动任务；判断是否有未完成的指令，如果没有未完成指令，则进入等待指令消息，系统处于 休眠状态；当有指令消息时，系统为唤醒状态，判断指令类型；当有下潜指令时，执行下潜指令；当有测量数据上传指令时，执行测量数据上传指 令；当有系统数据上传指令时，执行系统数据上传指令；判断是否结束控制过程，如果是，则结束一个作业周期内的控制过程。如果一次控制过程没有结束，则返回等待指令消息，系统处于休眠状态步骤。本发明方法中系统从休眠状态到唤醒状态包括以下步骤当系统处于等待指令消息状态时，判断是否通过通信定位装置)接收到指令消 息；如果没有接收到指令消息，则系统处于休眠状态，嵌入式控制装置禁止伺服装置、 数据采集装置中的位姿模块以及测量模块后，进入休眠状态；如果接收到指令消息，则系统由休眠状态转变为唤醒状态，则嵌入式控制装置为 唤醒状态，使能测量模块、使能位姿模块，使能伺服装置后进行指令信息判断解析并根据其 指令信息执行指令。本发明具有以下有益效果及优点1.本发明实现了水下滑翔机运动控制、作业过程数据采集、水面通信定位、状态监 测、应急抛载等功能，还可以降低系统功耗，提高水下滑翔机续航能力。2.本发明采用功耗低、性能高、工业级的ARM处理器为控制核心，以抢占式内核的 实时操作系统作为系统操作系统，高效率的电源管理，丰富的扩展接口，方便设备连接，系 统稳定可靠。
3.采用FAT32格式进行文件读取与存储，通过无线通信和卫星通信两种数据转输 方式，使通信更加可靠。说明书附1为本发明控制系统组成框图；图2为本发明控制系统中嵌入式控制装置结构框图；图3为本发明控制系统中能源管理装置结构框图；图4为本发明控制方法软件流程图；图5为本发明系统从休眠状态到唤醒状态的控制流程图。
具体实施例方式如
图1所示，本发明水下滑翔机用低功耗控制系统包括嵌入式控制装置1、通信定 位装置2、数据采集装置3、能源管理装置4以及伺服控制装置6，以嵌入式控制装置1为控 制核心，经由串口总线与数据采集装置3以及通信定位装置2进行数据通信交互；嵌入式控 制装置1的控制输出端接有伺服控制装置6 ；嵌入式控制装置1经IO接口 21连接能源管
理装置4。如图2所示，所述嵌入式控制装置1包括核心处理模块17、串口扩展模块18、AD扩 展模块19、DA扩展模块20、IO接口以及极低功耗的多功能日历模块22、SRAM23、FLASH24 和SD存储卡25 ；核心处理模块17通过SPI总线接口连接串口扩展模块18，再经由串口总 线连接数据采集装置3和通信定位装置2 ；核心处理模块17通过SPI总线接口由AD扩展 模块19连接接数据采集装置3 ；核心处理模块17通过1 总线由DA扩展模块20与伺服 控制装置6相连；核心处理模块17经IO接口 21与能源管理装置4相连，核心处理模块17 通过第一串口沈和第二串口 27连接通信定位装置2 ；核心处理模块17由极低功耗的多功 能日历模块22提供时间信息，通过SRAM23、FLASffi4为嵌入式控制程序提供存储空间，通过 SD存储卡25以FAT32文件系统格式对系统数据进行存储与读取等。如图3所示所述能源管理装置4包括电源变换模块观和电源控制模块四，其中电 源控制模块四通过电源变换模块观与嵌入式控制装置1的IO接口 21相连，电源控制模 块四的输出端接至滑翔机用低功耗控制系统的工作电源。所述通信定位装置2包括卫星通信模块7、无线通信模块8和定位模块9，嵌入式 控制装置1的核心处理模块17通过第一串口沈与第二串口 27分别连接卫星通信模块7、 无线通信模块8，通过定位装置9获取当前滑翔机载体的绝对物理位置送至核心处理模块 17。所述数据采集装置3包括位姿模块10和测量模块11 (采用型号为SBE49FASTCAT 的传感器)，其将采集到的水下滑翔机工作深度、工作电压、工作电流以及载体内压通过嵌 入式控制装置1的AD扩展模块19送至核心处理模块17。所述伺服控制装置6包括浮力调节模块16、俯仰调节模块15以及横滚调节模块元 14，三个模块的输出信号分别接至对滑翔机载体姿态的调节即俯仰角度、横滚角度、航向角 度与上升与下潜的伺服控制回路中。本发明系统还具有应急处理装置5，包括避碰模块12和抛载模块13，避碰模块12 将水下滑翔机的系统工作电流、工作电压、电池剩余容量，漏水状态、水下滑翔机载体内压、传感器状态、电机工作状态、避碰状态、文件系统状态、速度状态的各类检测信号经由嵌入 式控制装置1的串口总线和串口扩展模块18与核心处理模块17相连，抛载模块13接收嵌 入式控制装置1的输出信号实施对系统安全状态监测与应急抛载控制。
嵌入式控制器1是水下滑翔机控制系统的核心，而核心处理模块17是整个系统的 核心处理器，相当于大脑功能，在其上运行控制程序实现系统功能。核心处理模块17采用 接口丰富、功耗低、性能高、体积小而广泛应用于工业控制系统中ARM处理器，核心处理模 块17通过串口扩展模块18经由串口总线实现与数据采集系统3中的位姿模块10和测量 模块11、应急处理系统5中的避碰模块12和抛载模块13以及通信定位系统2中的定位模 块9进行数据通信交互。核心处理模块17通过SPI总线接口与AD扩展模块19连接，通过 模数接口实现对数据采集装置3中的测量模块11提取水下滑翔机工作深度、工作电压电流 以及载体内压等数据信息的读取。核心处理模块17通过1 总线连接DA扩展模块20来扩 展系统的数模转换接口，通过数模转换接口 DA扩展模块20来实现对伺服控制装置6中的 横滚模块14、俯抑模块15及浮力模块16进行控制调速。IO接口 21实现对能源管理装置 4的控制，以达到对水下滑翔机设备供电的控制来降低系统功耗。采用工业级具有极低功 耗的多功能日历模块22为控制系统提供时间信息。外扩了 SRAM23、FLASH24以及SD存储 卡25来满足水下滑翔机控制系统对程序和数据存储空间的要求。核心处理模块17通过第 一串口沈与第二串口 27来实现对通信定位装置2中的卫星通信模块7和无线通信模块8 连接，通过这两种通信链路，可以实现远近两种不同方式的通信连接，以实现全球范围内通能源管理装置4完成高效电压转换和设备电源管理，如图3所示，为了降低系统整 体功耗，能源管理装置4主要是通过电源变换模块观即开关电源来实现高效率的电压转 换处理；电压变换后由电源控制模块四通过光耦继电器来实现对系统设备供电的开断，在 满足系统设备正常工作之外让设备断电，来节省能量的消耗，达到降低系统整体功耗的目 的。所述电源变换模块观包括开关电源模块、线性电源模块以及高效率电源模块，在满足 卫星通信模块7与无线通信模块8对电源性能要求前提下，首先选用高效率电源模块设计 电源转换电路；在开关电源模块无法满足位姿模块10和定位模块9对电源质量要求情况 下，将电源先转换到位姿模块10和定位模块9的工作电源，然后采用线性电源模块进行稳 压处理，以此来提高电源的转换效率使能量损耗达到最低；C3)根据测量模块11的工作电 压和电流要求，结合系统设备工作时间长短的不同来选择合适的高效率电源转换模块，然 后选择合适的高效率电源模块，确保高效率电源模块工作在最高的转换效率点上；对所有 的电源变换模块都设计了使能控制功能，当电源变换模块暂时无需工作时，可以通过使能 控制将其完全关断；对于可以直接使用电源供电电压直接作业的伺服控制装置6与避碰模 块12，系统采用了低电流控制、低泄漏电流的光耦继电器实现电源管理。数据采集装置3负责传感器数据采集、处理、存储等，包括采集位姿模块10和传感 器测量模块11的数据，把数据反馈给嵌入式控制装置1做相应处理；通信定位装置2有两 种通信方式即卫星通信模块7和无线通信模块8，通过这两种通信链路，可以实现远近两种 不同方式的通信连接；同时通信定位装置2负责数据与指令传输、定位信息获取等；通信定 位装置2通过定位模块9来获取当前滑翔机载体的绝对物理位置。本发明水下滑翔机用低功耗控制方法流程图如图4所示，对水下滑翔机用低功耗
7控制系统在水下滑翔机一个作业周期内的控制过程包括以下步骤开始，系统初始化，启动所有驱动任务；判断是否有未完成的指令，如果没有未完成指令，则进入低功耗等待指令消息状 态；当有指令消息时，系统处于唤醒状态，判断指令类型；如果为下潜指令时，则执行相应的下潜指令；如果为测量数据上传指令，执行测量 数据上传指令；如果为系统数据上传指令，执行系统数据上传指令；如果为作业参数指令 时，则执行作业参数指令；如果为其他指令，如为查看文件系统指令时，则执行文件系统查 看指令，如为查询载体状态指令，则执行载体状态查询指令，如查询定位信息指令，则执行 系统定位信息查询指令。判断是否结束控制过程，如果是，则结束一个作业周期内的控制过程。如图5所示，系统从休眠状态到唤醒状态包括以下步骤当系统处于等待指令消息状态时，判断是否通过通信定位装置2接收到指令消 息；如果没有接收到指令消息，则系统处于休眠状态，嵌入式控制装置⑴禁止伺服 装置6、数据采集装置3中的位姿模块10以及测量模块11后，进入休眠状态；如果接收到指令消息，则系统由休眠状态转变为唤醒状态，则嵌入式控制装置1 为唤醒状态，使能测量模块、使能位姿模块，使能伺服装置后进行指令信息判断解析并根据 其指令信息执行指令。在实际应用中，本发明水下滑翔机用低功耗控制系统接收支持母船指令并解析命 令，根据解析命令做相应调整。水下滑翔机用低功耗控制系统在水面通过通信定位系统2 接收水面支持母船向水下滑翔机发送的作业参数指令，包括此次作业周期的作业类型(螺 旋、锯齿等)，下潜深度，作业过程中的水下滑翔机的作业载体姿态(横滚角、俯抑角、航 向)，传感器采集数据周期以及下潜上浮驱动浮力等信息。水下滑翔机用低功耗控制系统接 收支持母船执行作业指令，并根据指令进行作业。作业起始，水下滑翔机用低功耗控制器根据支持母船的作业参数指令，通过读取 位姿模块10的传感器数据来控制横滚模块14及俯抑模块15来实现水下滑翔机的姿态调 节，达到作业参数指令所要求的作业姿态。然后水下滑翔机用低功耗控制器调节浮力模块 16来使水下滑翔机达到指定下潜负浮力，至此水下滑翔机作业开始。在水下滑翔机下潜与上浮过程中水下滑翔机用低功耗控制器依据作业参数指令 的作业载体姿态(横滚角、俯抑角、航向)来，读取位姿模块10的数据，以当前水下滑翔机 载体姿态信息为反馈信息数据通过控制调整横滚模块14及俯抑模块15来实时对水下滑翔 机载体姿态进行闭环控制，来实现定航向角，定横滚角，定俯抑角等状态控制。水下滑翔机 用低功耗控制器根据作业参数指令的传感器采样周期来控制数据采集装置3来进行数据 采集，并对数据采集装置3所采集到的数据进行解析压缩存储，以便于作业结束时支持母 船对水下滑翔机作业的采样数据进行回收。水下滑翔机用低功耗控制系统实时采集数据采集装置3的数据并分析，如果水下 滑翔机下潜到支持母船所指定的作业深度时，水下滑翔机用低功耗控制系统要结束下潜状 态，并进行状态转换使水下滑翔机上浮；此时水下滑翔机用低功耗控制器通过调节浮力模块16改变水下滑翔机的浮力，使水下滑翔机达到正浮力状态，开始上浮。水下滑翔机用低功耗控制器在上浮与下潜的过程中，一直实时通过应急处理装 置5来监控水下滑翔机的整体状态，包括系统工作电流、工作电压、电池剩余容量，漏水状 态、内压、传感器状态、电机工作状态、避碰状态、文件系统状态、速度状态等信息，一旦发现 异常则水下滑翔机用低功耗控制器针对出现异常的情况进行相应的出错处理，例如停止作 业，水下滑翔机紧急上浮或抛载处理等，保障水下滑翔机正常安全可靠的工作。水下滑翔机用低功耗控制系统实时采集数据采集装置3的数据并分析，如果水下 滑翔机是上浮到水面时，此时水下滑翔机用低功耗控制器结束此次作业，调节水下滑翔机 载体姿态达到通信状态，通过通信定位装置2建立与支持母船的通信连接。当通信连接建 立后，水下滑翔机用低功耗控制器通过通信链路把水下滑翔机作业所采集数据采集装置3 的数据发送给支持母船；当数据传输完成后水下滑翔机用低功耗控制器通过定位模块9来 定位水下滑翔机当前绝对物理位置，把此位置信息发送给支持母船，支持母船获取到定位 信息后再进行载体回收或进行下一作业等操作，至此水下滑翔机用低功耗控制器控制水下 滑翔机完成一个作业周期。
权利要求
1.一种水下滑翔机用低功耗控制系统，其特征在于具有嵌入式控制装置(1)、通信定 位装置O)、数据采集装置(3)、能源管理装置以及伺服控制装置(6)，以嵌入式控制装 置(1)为控制核心，经由串口总线与数据采集装置(3)以及通信定位装置( 进行数据通 信交互；嵌入式控制装置⑴的控制输出端接有伺服控制装置(6)；嵌入式控制装置⑴经 IO接口 连接能源管理装置G)。
2.按权利要求1所述的水下滑翔机用低功耗控制系统，其特征在于所述嵌入式控制 装置⑴包括核心处理模块(17)、串口扩展模块(18)、AD扩展模块(19)、DA扩展模块QO)、 IO接口以及极低功耗的多功能日历模块(22), SRAM (23), FLASH (24)和SD存储卡(25)；核 心处理模块(17)通过SPI总线接口连接串口扩展模块(18)，再经由串口总线连接数据采 集装置C3)和通信定位装置O)；核心处理模块(17)通过SPI总线接口经由AD扩展模块 (19)连接接数据采集装置(3)；核心处理模块(17)通过1 总线经由DA扩展模块00)与 伺服控制装置(6)相连；核心处理模块(17)经IO接口 与能源管理装置(4)相连，核 心处理模块(17)通过第一串口 06)与第二串口 (XT)连接通信定位装置O)；核心处理模 块(17)由极低功耗的多功能日历模块02)提供时间信息，通过SRAMQ3)、FLAS!K24)以及 SD存储卡0 存储数据和嵌入式控制程序。
3.按权利要求1所述的水下滑翔机用低功耗控制系统，其特征在于所述能源管理装 置(4)包括电源变换模块08)和电源控制模块( )，其中电源控制模块09)通过电源变 换模块08)与嵌入式控制装置(1)的IO接口 相连，电源控制模块09)的输出端通 过光耦继电器接至滑翔机用低功耗控制系统的工作电源。
4.按权利要求1所述的水下滑翔机用低功耗控制系统，其特征在于所述通信定位装 置( 包括卫星通信模块(7)、无线通信模块(8)和定位模块(9)，嵌入式控制装置(1)的 核心处理模块(17)通过第一串口 06)与第二串口 (XT)分别连接卫星通信模块(7)、无线 通信模块(8)，通过定位装置(9)获取当前滑翔机载体的绝对物理位置送至核心处理模块 (17)。
5.按权利要求1所述的水下滑翔机用低功耗控制系统，其特征在于所述数据采集装 置C3)包括位姿采集模块(10)和传感器测量模块(11)，其将采集到的水下滑翔机工作深 度、工作电压、工作电流以及载体内压通过嵌入式控制装置(1)的AD扩展模块(19)送至核 心处理模块(17)。
6.按权利要求1所述的水下滑翔机用低功耗控制系统，其特征在于所述伺服控制装 置(6)包括浮力调节模块(16)、俯仰调节模块(1 以及横滚调节模块元(14)，对滑翔机载 体姿态的调节即俯仰角度、横滚角度、航向角度以及实现水下滑翔机上升与下潜。
7.按权利要求1所述的水下滑翔机用低功耗控制系统，其特征在于还具有应急处理 装置(5)，包括避碰模块(12)和抛载模块(13)，避碰模块(12)将水下滑翔机的系统工作电 流、工作电压、电池剩余容量，漏水状态、水下滑翔机载体内压、传感器状态、电机工作状态、 避碰状态、文件系统状态、速度状态的各类检测信号经由嵌入式控制装置(1)的串口总线 和串口扩展模块(18)与核心处理模块(17)相连，抛载模块(13)接收嵌入式控制装置(1) 的输出信号实施对系统安全状态监测与应急抛载控制。
8.一种水下滑翔机用低功耗控制方法，其特征在于包括以下步骤开始，系统初始化，启动所有驱动任务；判断是否有未完成的指令，如果没有未完成指令，则进入等待指令消息，系统处于休眠 状态；当有指令消息时，系统为唤醒状态，判断指令类型；当有下潜指令时，执行下潜指令；当有测量数据上传指令时，执行测量数据上传指令； 当有系统数据上传指令时，执行系统数据上传指令；判断是否结束控制过程，如果是，则结束一个作业周期内的控制过程。
9.按权利要求8所述的水下滑翔机用低功耗控制方法，其特征在于如果一次控制过 程没有结束，则返回等待指令消息，系统处于休眠状态步骤。
10.按权利要求8所述的水下滑翔机用低功耗控制方法，其特征在于系统从休眠状态 到唤醒状态包括以下步骤当系统处于等待指令消息状态时，判断是否通过通信定位装置(2)接收到指令消息；如果没有接收到指令消息，则系统处于休眠状态，嵌入式控制装置(1)禁止伺服装置 (6)、数据采集装置(3)中的位姿模块(10)以及测量模块(11)后，进入休眠状态；如果接收到指令消息，则系统由休眠状态转变为唤醒状态，则嵌入式控制装置(1)为 唤醒状态，使能测量模块、使能位姿模块，使能伺服装置后进行指令信息判断解析并根据其 指令信息执行指令。
全文摘要
本发明涉及一种水下滑翔机用低功耗控制系统及其控制方法，具有嵌入式控制装置、通信定位装置、数据采集装置、能源管理装置以及伺服控制装置，以嵌入式控制装置为控制核心，经由串口总线与数据采集装置以及通信定位装置进行数据通信交互；嵌入式控制装置的控制输出端接有伺服控制装置；嵌入式控制装置经IO接口连接能源管理装置；方法为启动所有驱动任务；如果没有未完成指令则进入等待指令消息，系统休眠；当有指令消息时，系统唤醒；当有指令时执行相应指令；结束制过程。本发明实现了水下滑翔机运动控制、作业过程数据采集、水面通信定位、状态监测、应急抛载等功能，降低系统功耗，提高水下滑翔机续航能力，方便设备连接，系统稳定可靠。
文档编号B63C11/52GK102079373SQ20091022020
公开日2011年6月1日 申请日期2009年11月27日 优先权日2009年11月27日
发明者俞建成, 公丕亮, 刘崇杰, 陈琦 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所