一种用于自主水下机器人的自动驾驶系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种自主水下机器人自动驾驶控制领域，具体地说是一种用于自主水下机器人的自动驾驶系统及方法。
【背景技术】
[0002]由于海洋资源的开发和海洋环境探索的迫切需求，使得潜水器相关技术得到迅猛发展，而各种潜水器尤其自主型潜水器自动驾驶仪进行自动驾驶航行控制、组合与自主导航控制技术发展各不相同，自动驾驶仪的大小、形状、性能、接口也各不相同。导致潜水器内部控制电路不断在变化，不能形成系列化产品。本发明通过将各类潜水器的接口、资源、性能需求统筹规划设计，形成一种适用于多种水下机器人或潜水器的自动驾驶系统。
【发明内容】
[0003]针对现有技术的不足，本发明提供一种适用于多种水下机器人或潜水器的自动驾驶系统和方法，体积小，性能高，稳定性可靠性高，功耗小，控制精度高，重量轻，成本低，接口多样性等特点。
[0004]本发明为实现上述目的所采用的技术方案是:
[0005]一种用于自主水下机器人的自动驾驶系统，内部系统模块16通过标准接口连接到GPS接收模块7和MEMS惯性导航传感器8，用于接收GPS接收模块发送的GPS信号，并且通过MEMS惯性导航传感器8获取水下机器人姿态信息；
[0006]信号隔离模块9 一端连接内部系统模块16，另一端连接局部扩展总线10，用于将信号输入输出电连接器12与内部系统模块16之间信号进行隔离处理；
[0007]局部扩展总线10 —端连接所述信号隔离模块9，另一端连接信号输入输出电连接器12，将隔离后的信号通过局部扩展总线10输出到信号输入输出电连接器12。
[0008]内部系统模块16包括CPU处理器1、数据采集模块11和功率驱动模块5。
[0009]所述CPU处理器I 一端通过标准接口连接到GPS接收模块7和MEMS惯性导航传感器8，另一端通过标准总线连接到数据采集模块11和功率驱动模块5。
[0010]所述数据采集模块11包括串口通讯模块2、AD模数转换模块3和DA数模转换模块4。
[0011]所述信号输入输出电连接器12包括数字信号输入输出电连接器13、模拟信号输入输出电连接器14和电源输入电连接器15。
[0012]所述信号隔离模块9为包括多个比例信号隔离器22的隔离装置；局部扩展总线10发送的外部信号，通过比例信号隔离器22进行隔离后发送到内部系统模块16;同时比例信号隔离器22接收内部系统模块16输出的信号，进行隔离处理后再送给局部扩展总线10。
[0013]所述比例信号隔离器22连接系统内部电源20和外部隔离电源21，由内部电源20和外部隔离电源21共同供电。
[0014]所述局部扩展总线10包括连接器18和多路复用连接器19，是将信号输入输出电连接器12与信号隔离模块9之间的信号进行转接处理的局部总线；
[0015]所述多路复用连接器19 一端通过连接器18与信号隔离模块9进行连接，另一端分别连接到信号输入输出电连接器12。
[0016]还包括电源供电模块6分别连接CPU处理器1、串口通讯模块2、AD模数转换模块3、DA数模转换模块4、功率驱动模块5、信号隔离模块9和局部扩展总线10，用于为前述各模块供电。
[0017]一种用于自主水下机器人的自动驾驶方法，信号输入输出电连接器12接收水下机器人的传感器设备信号，经过局部扩展总线10发送到信号隔离模块9进行隔离处理；
[0018]信号采集模块11采集到隔离处理后的信号后，发送给CPU处理器I ;
[0019]CPU处理器I接收GPS接收模块7和MEMS惯性导航传感器8的信号，完成信号采集过程；
[0020]信号采集模块11和功率驱动模块5采集CPU处理器I发出的信号后，发送到信号隔离模块9进行隔离处理；
[0021]将隔离处理后的信号通过局部扩展总线10送到信号输入输出电连接器12，完成水下机器人自动驾驶航行控制。
[0022]所述隔离处理包括以下步骤:信号输入输出电连接器12发送的输入信号通过局部扩展总线10发送到比例信号隔离器22进行隔离处理，将隔离处理后的信号再送给内部系统模块16 ；
[0023]内部系统模块16输出的信号经过比例信号隔离器22隔离处理后再送给局部扩展总线10，即:
[0024]VI=aV0
[0025]其中，α为比例放大系数，VI为输入信号，VO为输出信号。
[0026]本发明具有以下有益效果及优点:
[0027]1.本发明可扩展的模块化结构、体积小，性能高，稳定性可靠性高，功耗小，控制精度高，重量轻，成本低，接口多样化。内部集成三轴加速度、三轴陀螺仪、三轴磁罗盘的MEMS惯性导航系统核心敏感姿态传感器以及有源校准功能的GPS接收模块实现自主导航或组合导航，实现航迹、航位推算以及有源校准等功能；
[0028]2.本发明提供一套功能强大的自动驾驶系统，提供适用于目前现有各类常用传感器接口，满足目前所有潜水器外装载荷设备和各种执行机构等；
[0029]3.本发明适用于多种水下潜水器，内部集成各种控制算法实现自动驾驶功能。安装简单的航行传感器即可实现自主航行控制，提供安装市场上现有的高精度导航传感器接口，可以实现高精度导航要求；
[0030]4.本发明实现潜水器的高可靠性的自动驾驶控制。由于自动驾驶仪是潜水器的控制与决策核心，他的可靠性直接影响到整个潜水器的航行任务成败。
【附图说明】
[0031]图1是本发明的总体结构图；
[0032]图2是本发明的局部扩展总线的结构连接图；
[0033]图3是本发明的信号隔离模块结构连接。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0035]如图1所示，本发明装置是将导航传感器与控制电路集成设计的成果。三轴加速度、三轴陀螺仪、三轴磁罗盘的MEMS惯性导航传感器8以及有源校准功能的GPS接收模块7通过标准接口与控制系统核心电路连接到一起，通过串口通讯与主控板交换数据，由主控(PU处理器核心模块I数据融合处理单元实现自主导航或组合导航处理，实现航迹、航位推算以及有源校准等功能。串口通讯模块2，AD模数转换模块3、DA数模转换模块4和功率驱动模块5通过标准总线形式连接到一起，实现相互之间的通讯与数据交换。信号隔离模块9通过局部扩展总线10连接到数字信号输入输出电连接器13，模拟信号输入输出电连接器14和电源输入电连接器15。外部潜水器安装的设备或传感器相连接，经过局部扩展总线10进行信号分线连接处理，再经过信号隔离模块9隔离处理，送入CPU处理器核心模块1，串口通讯模块2，AD模数转换模块3、DA数模转换模块4，功率驱动模块5，实现内外数据的交换。电源变换模块6用来实现为CPU处理器核心模块1，串口通讯模块2，AD模数转换模块3、DA数模转换模块4、功率驱动模块5，信号隔离模块9和MEMS惯性导航传感器8以及GPS接收模块7供电以及潜水器系统安装设备或传感器供电。内部各个功能模块通过机械结构模块化机械加固框17统一固定在一起，从而形成一个完整的自动驾驶仪。
[0036]自动驾驶仪集成三轴加速度、三轴陀螺仪、三轴磁罗盘的MEMS惯性导航传感器8以及GPS接收模块7实现自主导航或组合导航，实现航迹、航位推算以及有