本发明涉及一种深水水下自主航行器(auv)，具体是一种深水auv中尾部矢量推进器的控制系统。
背景技术：
深水auv可以帮助我们更好的探测海洋，了解海洋及其环境问题。由于海洋环境较之陆地较为复杂，不适合载人探测，而深水auv的出现突破了原来人工潜水的限制，为人类进行深海资源的研究与开发提供了强有力的工具。目前，人类在深海打捞、深海资源调查、深海生物种群调查、深海基因获取等方面所取得的突破性进展均与auv的发展密切相关。auv技术的发展对于海洋科学研究起到了巨大的推动作用。可以说，海洋科学的每一次重大进展都是以auv的突破性进展为前提的。
本发明中控制系统主要控制对象为auv尾部的矢量推进器。矢量推进器不但可以提供深海自主航行器(auv)的动力，还可以控制auv的航行姿态，功能相当于飞机的方向舵、升降舵和发动机。区别于以往靠摆动鳍叶产生流体力差从而获得操作力矩转向的非矢量推进器(当速度越大时，基于非矢量推进器的auv获得的反作用力就越大)，矢量推进器是通过主推进器产生的推力获得额外的转向控制力矩，其突出特点是控制力矩和主推进器紧密相关，靠转向电机摆动从而该变主推进器的推进方向，使auv获得一定转矩转向。没有鳍舵，水下作业安全，壁障性能好，适用于狭小的工作环境。
技术实现要素：
运动控制系统是auv系统安全航行的最后保障，要求具有极高的可靠性，本发明的目的是设计一种功能尽量简练的可靠的运动控制系统，用于控制auv运动单元，运动单元包括矢量推进器、声学释放器，机械释放器及抛缆舵机等。
本发明提供了一种深水auv的双余度运动控制系统，采用双余度结构，包括层叠式并联的两个运动控制单元，两个运动控制单元的结构相同，每个运动控制单元具有一个航插接口。
运动控制系统接收主控制系统以及甲板单元通过无线电或声通信发出的遥控指令，优先执行主控制系统指令。当主控制单元故障时则等待甲板单元的遥控指令，在设定时间内收不到指令时，则自动采取应急措施。
本发明的两个运动控制单元在控制权限上是对等的，采用第三方裁判进行余度管理。当通过主控制单元进行余度管理时，主控制单元接收各余度传递过来的运行状态(硬件和软件)，比较评判，默认余度1工作，如果余度1故障，而余度2正常，则自动切换到余度2工作，如果余度1和余度2均故障，则自动采取应急措施(抛载)。
所述的运动控制单元选用芯片stm32f103作为cpu，具有三路232串口、两路422串口和九路io串口；其中232串口及422串口采用光耦隔离，九路gpio口采用光电隔离；输入电源设计有隔离保护。所述的运动控制单元还具备硬件看门狗，进行死机保护，硬件看门狗选用max792芯片，五分钟不喂狗则产生复位信号，cpu重启。所述的运动控制单元还配备一片2m的norflash以存储控制参数。
本发明的优点及带来的有益效果在于：
(1)运动控制系统是auv系统安全航行的最后保障，要求具有极高的可靠性，本控制系统采取双余度设计，每个余度提供两条链路。根据双余度并联结构，设计故障分层保护措施，保证auv安全返航，保障auv机载设备安全回收。
(2)运动控制系统硬件采取隔离设计，内外电路隔离，保障内外电路互不干扰，减小漏水，线缆损伤等故障对运动控制系统影响。同时具备死机保护，温度检测，漏水监测功能，保障单个余度正常工作，提升单个余度可靠性。
(3)运动控制系统采取故障分层保护措施，接受来至主控制系统以及甲板单元通过无线电或声通信发出的遥控动作指令，可以由操作人员通过甲板软件界面来进行双余度间控制权限的切换。
附图说明
图1是本发明一种深水auv的双余度运动控制系统的单余度硬件结构示意图；
图2是本发明一种深水auv的双余度运动控制系统的外部结构的侧视图；
图3是本发明一种深水auv的双余度运动控制系统的双余度输入/输出工作机制示意图；
图4是本发明一种深水auv的双余度运动控制系统的故障分层防护流程图；
图5是本发明一种深水auv的双余度运动控制系统的工作流程图。
具体实施例
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
常规水下自主航行器(auv)运动单元包括：矢量推进器、声学释放器，机械释放器及抛缆舵机；矢量推进器包含主推电机、俯仰电机和转向电机。auv运动单元位于auv后舱，运动控制系统安装于后舱中部。
本发明的运动控制系统接收来自甲板软件的手动遥控指令、主控制系统的动作遥控指令，可以完成如下动作：
(1)主推进电机转速控制(类似油门)；
(2)上升或下潜，通过俯仰电机控制推力矢量实现；
(3)左转或右转，通过转向电机控制推力矢量实现；
(4)声学释放器控制；
(5)机械释放器控制；
(6)抛缆控制。
其中，主推进电机转速、上升/下潜以及左转/右转均为比例式控制，而声学释放、机械释放、抛缆为开关式控制。各执行机构的控制信号接口如表1所示。
表1各执行机构的控制信号接口需求
其中，ttl表示逻辑门电路。
抛缆舵机由操作人员通过甲板软件界面进行人工控制，不需要控制系统自动控制，以免意外抛缆，导致缆绳给auv或母船带来不必要的麻烦。
本发明的深水auv的双余度运动控制系统，采用双余度并联结构，包括并联的两个运动控制单元，单个运动控制单元的硬件结构如图1所示，信号、供电均采取隔离设计。整体双余度运动控制系统的外部结构如图2所示。
单个运动控制单元的硬件采取pcb四层板，电源及地单独一层，信号线分布于pcb板上层及底层。如图1所示，运动控制单元的cpu选用stm32f103(armcortextm-m3)，主频72mhz，程序存储器512kb，内存64kb。运动控制单元具有三路232串口，两路422串口，九路io串口；其中232串口及422串口采用光耦隔离，九路gpio口采用光电隔离。运动控制单元具备硬件看门狗，进行死机保护。硬件看门狗选用max792芯片，五分钟不喂狗则产生复位信号，cpu重启。运动控制单元还配备了一片2m的norflash进行控制参数储存。单个运动控制单元的外部电源和内部电源之间设计有隔离保护。本发明采取内部电路、外部电路隔离设计，还对后舱的运动单元各执行机构的状态、后舱温度、气压以及是否漏水进行监测，将后舱漏水，线缆破损等事故对运动控制系统影响降至最低。
由表1和图1可知，运动控制单元具有一片norflash，用于存储控制参数，例如电机安装角补偿等，运动控制单元的三路232串口中，一路接收无线电通信信号，一路接收声通信信号，一路发送信号给主推进电机。两路422串口中，一路用于与主控制单元(主控计算机)进行通信，一路作为备用接口。2路gpio串口连接两个隔离的di(digitalinput)开关，监测漏水信号。运动控制单元还与温度传感器连接，监测后舱温度。运动控制单元输出余度切换信号，输出控制量给俯仰/转向电机、抛缆机构或输出抛载信号。抛载时表示要采取应急措施。运控控制单元由24v电池供电，电源进行二次隔离，提高系统稳定性及可靠性。
运动控制系统的外部结构示意图如图2所示，双余度控制系统采取层叠式并联结构，每个余度的物理参数如下：
尺寸：109mm(长)×56mm(宽)×19mm(高)，不包括外部插头尺寸；
重量：小于200g；
功耗：100ma@dc24v；
温度范围：-40℃～85℃。
本发明的两个运动控制单元在控制权限上是对等的，仅依靠各余度自身信息，采用第三方裁判，对双余度进行综合管理。一般当通过主控制单元进行双余度管理，主控制单元接收各余度传递过来的运行状态(硬件和软件)，比较评判，默认余度1工作，如果余度1故障，而余度2正常，则自动切换到余度2工作，如果余度1和余度2均故障，则自动采取应急措施(抛载)。当然，也可以由操作人员通过甲板软件界面来进行双余度间控制权限的切换。
如图3所示，本发明的双余度控制系统对输入的遥控指令，直接分线至各余度的接口芯片和cpu，双余度同时对该输入信号进行处理；对于各余度输出的ttl数字信号，则可以通过74系列逻辑切换芯片进行输出选择，最终对外输出其中一个余度的信号。逻辑切换芯片的输出选择权由主控制单元进行控制。
运动控制系统采取故障分层保护措施，如图4所示。运动控制系统的安全运行分为3个层次，对后舱设备(主要为矢量推进器)的控制权根据设备状态来选择。如图5所示，运动控制系统接受来至主控制系统以及甲板单元通过无线电或声通信发出的遥控动作指令，默认执行主控制系统指令。主控制系统实时判断运动控制系统各余度的运行状态，作为第三方裁判，进行余度切换管理。
当主控制单元故障时则等待甲板单元遥控指令，一段时间内收不到指令，则自动采取应急措施(抛载)。当然，也可以由操作人员通过甲板软件界面来进行双余度间控制权限的切换。通过甲板软件还可以将auv切换至甲板手动遥控状态，由操作手利用手柄对auv进行控制。
运动控制系统工作流程如图5所示：
工作时先判断工作余度，当余度大于2时由主控单元向机械释放器发送抛载命令；
工作余度小于等于2时，判断遥控动作指令发送源；
为主控单元发送时，执行过程如下：先判断主推转速设置标志位，为1则向主推进电机发送目标转速值命令，为0则不动作；检测主推进电机转速返回值，若未达到目标转速继续发送命令，五分钟后仍未达到目标舵角则置主推电机故障标志位有效，表示主推进电机发生故障；再判断方向舵设置标志位，为1则向转向电机发送目标舵角值命令，为0则不动作；检测舵角返回值，若未达到目标舵角继续发送命令，五分钟后仍未达到目标舵角则置转向电机故障标志位有效，表示转向电机发生故障；然后判断升降舵设置标志位，为1则向俯仰电机发送目标舵角值命令，为0则不动作；检测当前俯仰舵角返回值，若未达到目标舵角继续发送命令，五分钟后仍未达到目标舵角则置俯仰电机故障标志位有效；接下来判断声学释放器标志位，为1则向声学释放器发送释放命令，为0则不动作，检测声学释放器的回应信号，若回应为低电平，若未超时则重新发送命令，若超时，则置声学释放器释放标志位为0，释放失败，反之置1释放成功；之后判断机械释放器标志位，为1则向转向机械释放器发送释放命令，为0则不动作，检测机械释放器的回应信号，若回应为低电平，若未超时，则重新发送命令，若超时，则置机械释放器释放标志位为0，释放失败，反之置1释放成功。
为甲板软件发送时，先判断水下自主航行器(auv)航行模式，若为水面模式则俯仰电机关闭，不执行命令，防止因误操作导致auv下潜；若为甲板模式则主推进电机转速限制在五百转以内，保护主推进电机，防止因为空转而引起主推电机故障；在潜航模式下，执行过程与主控单元发送时一样。仅指令由甲板软件发送时，判断抛缆标志位，为1则向抛缆舵机发送抛缆命令，为0则不动作，抛缆命令由操作人员通过甲板软件界面进行人工控制，通常在距离母船较近区域，视距可达范围内进行操作，可直接由操作人员判断抛缆是否成功，则不再检测返回值；仅在甲板模式可对控制参数进行修改，其余模式只可读取控制参数；。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。