一种小型深海探测作业型潜水器电源管理系统和管理方法与流程

本发明涉及水下机器人技术领域，具体说是一种小型深海探测作业型潜水器电源管理系统和管理方法。

背景技术：

传统的水下机器人虽具有较强的作业能力，但普遍都有体积大、重达数吨、研制周期长且成本高、作业效率低、风险高的问题。小型的海底浮游爬行式机器人是一种小体积、作业能力强的海底移动机器人，能够进行浮游和坐底探测作业，可搭载于其他设备共同下潜至海底，具备工作时间长、运动控制灵活、效率高、成本低等特点，可适用于当前深海环境下精细探测作业的实际需求。

水下机器人探测作业过程中面临复杂海况和恶劣的工作环境，因此对可靠性和安全性有更高的要求。电源管理系统作为潜水器各个设备与电源的桥梁，其能源管理分配情况直接影响潜水器能否完成探测作业任务和安全返航。在这种情况下，小型深海浮游爬行探测作业型潜水器必须有一套成熟可靠的电源管理系统，既可以对系缆和锂电池组组成的双电源并联供电系统进行管理，又可以合理分配能源到潜水器载体各个设备，又可以方便快速安全地切换浮游和爬行两种探测作业模式。

技术实现要素：

为了解决上述存在的问题，本发明的目的在于提出一种小型深海探测作业型潜水器电源管理系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种小型深海探测作业型潜水器电源管理系统，包括：电源管理单元和电源分配单元；

所述电源管理单元与锂电池组、电源分配单元、潜水器控制系统连接，还通过光电复合缆与水下基站电源连接；

所述电源分配单元与潜水器控制系统、浮游体设备、底盘设备连接。

所述电源管理单元包括降压隔离模块、充电模块、放电模块、电量检测传感器、锂电池保护板bms、单片机和总开关；

所述降压隔离模块输入端与光电复合缆连接，输出端经充电模块、放电模块与锂电池保护板bms连接，所述锂电池保护板bms与锂电池组连接；所述充电模块与锂电池保护板bms之间、放电模块与锂电池保护板bms之间均连有电量检测传感器，所述电量检测传感器与单片机连接，充电模块经单片机与潜水器控制系统连接；所述降压隔离模块输出端经总开关后作为电源管理单元的输出端，与电源分配单元连接。

所述电源分配单元包括大功率设备启动电路、推进器电流传感器、第二电流传感器、浮游体电源转换板、底盘电源转换板；

电源管理单元的输出端与大功率设备启动电路、浮游体电源转换板连接、底盘电源转换板连接；在电源管理单元的输出端与大功率设备启动电路的连接线路上、电源管理单元的输出端与底盘电源转换板的连接线路上，分别设有第一电流传感器、第二电流传感器；所述第一电流传感器检测信号端、第二电流传感器检测信号输出端与潜水器控制系统连接。

所述大功率设备启动电路包括固态继电器qd、电阻r1～r5；

所述固态继电器qd的控制输入端经电阻r1与潜水器控制系统连接，固态继电器qd的输出端作为大功率设备启动电路输出端out+与电源管理单元的输出端连接，固态继电器qd的输出端经并联的电阻r2～r5作为大功率设备启动电路输出端out-与浮游体设备的多台推进器动力电源输入端连接。

所述大功率设备启动电路并联有固态继电器km1。

所述浮游体电源转换板包括过流保护熔断器f1、浮游体电源通断支路和多个浮游体电源转换支路；

所述电源管理单元的输出端经浮游体电源通断支路与浮游体设备的声学定位通信装置连接，还通过流保护熔断器f1、分别经多个浮游体电源转换支路与浮游体设备连接；

所述浮游体电源通断支路包括顺序连接的固态继电器k7和过流保护熔断器f8；

所述浮游体电源转换支路包括顺序连接的dc/dc隔离电源模块、固态继电器和过流保护熔断器，所述过流保护熔断器输出端与浮游体设备的多台推进器控制电源输入端、摄像机、深度计、高度计、电子罗盘、摄像机俯仰云台中的至少一种连接。

所述浮游体电源转换支路包括dc/dc隔离电源模块，dc/dc隔离电源模块输出端与浮游体设备的光端机、主控制板、io扩展板中的至少一种连接。

所述底盘电源转换板包括直流隔离电源模块和过流保护熔断器fu3～fu6；

所述电源管理单元的输出端依次经过流保护熔断器fu3、直流隔离电源模块与底盘设备的底盘控制板、履带电机驱动器控制电输入端、摆臂电机驱动器控制电输入端、电动机械手关节电机驱动器控制电输入端中的至少一种连接；

所述电源管理单元的输出端分别经过流保护熔断器fu4、过流保护熔断器fu5、过流保护熔断器fu6与底盘设备的履带电机驱动器动力电输入端、摆臂电机驱动器动力电输入端、电动机械手关节电机驱动器动力电输入端中的至少一种连接。

所述电源管理单元输出端与底盘电源转换板之间串联有固态继电器km2。

一种小型深海探测作业型潜水器电源管理方法，包括以下步骤：

电源管理单元的降压隔离模块将光电复合缆传输的高压直流电降压转换为直流电输出，直流电经过充电模块、锂电池保护板bms给锂电池组充电；电源管理单元的单片机通过串口与潜水器控制系统进行通信，单片机通过接收到的潜水器控制系统串口通信指令，调节充电模块对锂电池组的充电电流和时间；电量检测传感器将锂电池组的充放电电压和充放电电流信号转换为模拟量电压信号送入单片机进行电量采集和计算，同时单片机将锂电池组的充放电电量进行周期性记录保存，且实时上传数据信息给潜水器控制系统；

当多台推进器需要上电时，先将启动大功率设备启动电路中的固态继电器qd闭合；延时若干秒充电完成后，潜水器控制系统控制固态继电器km1的触点闭合，完成多台推进器的动力电上电过程；

浮游体电源转换板将电源管理单元输出直流电经多个dc/dc隔离电源模块转换为不同的直流电压分别供给浮游载体上的各个设备；

当潜水器工作在爬行模式时，潜水器控制系统通过控制固态继电器km2，将直流电接入底盘电源转接板后经dcdc隔离电源模块转换输出所需电压，供给底盘设备。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明可以在充油高压环境下使用，使得电子设备可以与油压部件封装在一起，有效减少体积和结构件数量，提高可靠性，尤其在深海环境中使用时可以大大简化机械结构设计难度。

2.本发明通过固态继电器的组合使用可以有效地控制小型深海探测作业型潜水器电源系统连接情况，完全的将供电电源和载体设备之间隔绝，保证系统安全。

3.本发明使用光电复合缆和锂电池组组成的并联供电方案，即满足潜水器正常工作时间的能量需求和最大航行功率需求，也减小了光电复合缆的线径和重量。提高了潜水器作业时的灵活性；当光电复合缆出现故障时，锂电池组还可以作为潜水器的应急电源。

4.本发明可以实时监测潜水器水下工作时电池组的状态，载体设备的用电情况，同时通过潜水控制系统信息采集汇总上传至水面控制单元，为水面操纵决策提供依据，具有极高的安全性。

5.本发明有效地对动力系统电源48v和控制系统电源24v、12v、5v进行了电气隔离，有效地减少了推进器、声学定位装置、底盘履带、摆臂、电动机械手等大功率电力电子设备对控制系统的电磁干扰，提高了潜水器控制系统的抗干扰能力。

6.本发明开发了微小型大功率设备启动电路和大功率设备启动控制方法，可有效地抑制多台推进器同时上电，瞬间对48v供电电源的巨大电流冲击。有效地防护了前级电路因过流损坏。

7.本发明通过潜水器控制系统协调可以对浮游体设备和底盘设备进行独立的上下电控制，各个设备对应独立的固态继电器和过流保护熔断器，单个设备故障时可从载体供电回路中切除，故障设备不影响整体系统供电，极大的减少了单点故障影响的范围。

附图说明

图1为本发明电源管理系统的功能示意图；

图2为本发明电源管理单元的原理框图；

图3为本发明电源分配单元的原理框图；

图4为本发明大功率设备启动电路的原理图；

图5为本发明大功率设备启动控制方法流程图；

其中，1、电源管理单元，2、电源分配单元，3、潜水器控制系统，10、降压隔离模块，11、充电模块，12、放电模块,13、电量检测传感器，14、锂电池保护板bms，15、单片机，16、总开关，20、大功率设备启动电路，21、第一电流传感器，22、第二电流传感器，23、浮游体电源转换板，24、底盘电源转换板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

本电源管理系统的电源取自光电复合缆和锂电池组，潜水器正常作业时是以光电复合缆提供的能源为主，电池组作为潜水器大功率作业时的能源补充，当光电复合缆出现故障时锂电池组还可以在作为潜水器的应急电源。所述电源管理系统主要包括电源管理单元和电源分配单元，安装于潜水器内部。电源管理单元与光电复合缆和锂电池组相连接，可实现光电复合缆高压直流电源的降压和隔离，锂电池组充放电管理和电量监测，与潜水器控制系统通过rs232接口进行通信。电源分配单元与潜水器载体设备连接，可将电源管理单元输出的48v直流电转换隔离供给潜水器的控制系统、动力系统、作业系统、探测系统等设备。电源分配单元可根据探测作业任务合理分配电能，优化控制潜器各设备的上电顺序。潜水器控制系统可通过do和ai接口对电源分配单元的运行进行监控。

本发明可以在充油高压湿舱中使用，能够满足水下45mpa耐压要求。此电源管理系统是小型深海浮游爬行探测作业型潜水器可靠运行的重要保障，对于潜水器整体的安全性具有重要作用。本电源管理系统采用光电复合缆和电池组组成的并联供电方案，即满足潜水器正常工作时间的能量需求和最大航行功率需求，也减小了光电复合缆的线径和重量，提高了潜水器作业时的灵活性；动力系统电源和控制系统电源电气隔离，载体设备独立的上下电控制和过流保护设计，有效地缩小了单点故障影响范围，又方便后期维护及调试，同时也有效提高了潜水器深海浮游爬行双模式探测作业的稳定性和可靠性。

一种小型深海探测作业型潜水器电源管理系统，包括电源管理单元和电源分配单元；本电源管理系统采用光电复合缆和锂电池组组成的并联供电方案，潜水器正常作业时是以光电复合缆提供的能源为主，电池组作为潜水器大功率作业时的能源补充；当光电复合缆出现故障时，锂电池组可以作为潜水器的应急电源；

所述电源管理单元与光电复合缆和锂电池组相连接，可实现光电复合缆高压直流电源电压的降压和隔离，并为锂电池组提供充放电管理和电量监测，与潜水器控制系统通过rs232接口进行通信；

所述降压隔离模块10与充电模块11、电量检测传感器13、锂电池保护板bms14串联在一起给锂电池组充电；单片机15控制系统通过调节pwm占空比控制充电模块11对锂电池组的充电电流；单片机15的ai接口与电量检测传感器13连接，采集计算锂电池组的充放电电压和电流信息，同时单片机15将锂电池组的电量信息进行周期性记录保存，且实时上传给潜水器控制系统3，单片机15系统还具有掉电自动保存锂电池组电量信息功能；锂电池保护板bms14可对锂电池组进行充电保护、放电保护、过流保护和短路保护；锂电池组可通过放电模块12与光电复合缆降压隔离模块10输出端连接，组成了潜水器电源管理系统的并联供电方案；锂电池组和光电复合缆并联输出端经过总开关16固态继电器与电源分配单元2连接，总开关16可通过外部启动插头控制实现后续供电回路的上电和断电；

所述电源分配单元2包括大功率设备启动电路20、电流传感器21、22、浮游体电源转换板23、底盘电源转换板24、轨装接线端子xt、过流保护熔断器f和多个固态继电器；

大功率设备启动电路20将电源管理单元电源输出与多台大功率推进器连接，大功率设备启动电路20的使用可有效抑制多台推进器同时上电瞬间对48v供电电源的巨大电流冲击；大功率设备上电启动控制方法：当多台推进器上电时，潜水器控制系统3通过数字量输出do端口先将启动电路小型固态继电器qd闭合，启动电阻串接入推进器48v供电回路中，起通电瞬间限流充电，以保护前级电路元器件，延时5s推进器内滤波电容充电完成，大功率固态继电器km1的触点闭合将电阻短路，完成多台推进器上电过程；

每台推进器48v供电回路分别对应相应的过流保护熔断器fu。当一台推进器出现过流或短路故障时，会烧断相对应的熔断器。使故障推进器从48v供电回路中切除，不影响载体其他设备的正常工作，达到了缩小单点故障影响范围的目的；

电流传感器21、22采集推进器48v供电回路和底盘48v供电回路的电流，经运算放大器滤波限幅后输出模拟量电压信号至潜水器控制系统3ai接口进行信号采集和运算；

浮游体电源转换板23将电源管理单元1输出48v经4个dcdc隔离电源模块转换为24v、12v、5v电压分别供给浮游体上的各个设备；每个设备都单独对应各自的固态继电器开关k1～k7和过流保护熔断器f2～f8，潜水器控制系统3可通过数字量输出接口do控制载体各个设备独立的上电和断电，单个设备故障不影响载体整体设备供电，极大的减少了单点故障影响的范围；

电源管理单元1输出48v经大功率固态继电器km2后接入底盘电源转换板24，当潜水器工作在爬行模式时，潜水器控制系统3可通过数字量输出接口do控制大功率固态继电器km2对底盘电源供电回路进行上下电控制；大功率固态继电器km2可方便快捷地实现小型深海潜水器浮游和爬行双模式的供电回路切换；

底盘电源转接板24包括dcdc隔离电源模块、接线端子xt3～4、过流保护熔断器fu4～6，dcdc隔离电源模块将底盘动力系统电源48v和控制系统24v电源进行了电气隔离，有效地减少了底盘履带、摆臂、电动机械手等大功率电力电子设备对控制系统的电磁干扰，提高了潜水器控制系统的抗干扰能力。

如图1所示。本电源管理系统的电源取自光电复合缆和锂电池组，潜水器正常作业时是以光电复合缆提供的能源为主，锂电池组作为潜水器大功率作业时的能源补充。当光电复合缆出现故障时，锂电池组可以作为潜水器的应急电源。所述电源管理系统主要包括电源管理单元1和电源分配单元2。

电源管理单元1与光电复合缆和锂电池组相连接，可实现光电复合缆传输的高压直流电源电压的降压和隔离，并为锂电池组提供充放电管理和电量监测，与潜水器控制系统3通过rs232接口进行通信。

电源管理单元1如图2所示，包括降压隔离模块10、充电模块11、放电模块12、电量检测传感器13、锂电池保护板bms14、单片机15和总开关16。

降压隔离模块10将光电复合缆传输的高压直流电降压转换为48v直流电输出，并实现高压直流与48v电源回路的电气隔离；48v直流电经过充电模块11、电量检测传感器13、锂电池保护板bms14给锂电池组充电；电源管理单元的主控制器单片机15通过rs232串口与潜水器控制系统3进行通信，单片机15通过接收到的潜水器控制系统3串口通信指令，调节充电模块11对锂电池组的充电电流和时间；电量检测传感器13包括电压检测传感器电路和电流检测传感器电路，电压传感器电路采用电阻分压法输出低电压信号，电流传感器电路采用线性霍尔电流传感器acs758lcb-050b将电流信号转换为电压信号。电量检测传感器13电路的主要作用是将锂电池组的充放电电压和充放电电流信号转换为0～3v模拟量电压信号送入单片机15的ai接口进行电量采集和计算，同时单片机15系统将锂电池组的充放电电量进行周期性记录保存，且实时上传数据信息给潜水器控制系统3，单片机15系统还具有掉电自动保存锂电池组电量信息功能；锂电池保护板bms14可对锂电池组进行充电保护、放电保护、过流保护和短路保护；锂电池组可通过放电模块12与光电复合缆降压隔离模块10输出连接，组成了潜水器电源管理系统的并联供电方案；锂电池组和光电复合缆并联输出48v直流电经过总开关16固态继电器与电源分配单元连接，总开关16可通过外部启动插头控制实现后续供电回路的上电和断电。

电源分配单元2与电源管理单元1和潜水器载体各设备连接，可将电源管理单元1输出的48v直流电经隔离电源模块转换隔离供给潜水器的控制系统、动力系统、作业系统、探测系统等设备。电源分配单元2可根据探测作业任务合理分配电能，优化控制潜水器各设备的上电和断电顺序。潜水器控制系统可通过do和ai接口对电源分配单元2的运行进行监控。

电源分配单元2如图3所示，包括大功率设备启动电路20、电流传感器21、22、浮游体电源转换板23、底盘电源转换板24、轨装接线端子xt、过流保护熔断器f和多个固态继电器；

由于多台推进器并联供电，直流侧的滤波电容容量非常大，在刚充电的瞬间48v供电回路相当于短路，电流会很大。大功率设备启动电路20可有效抑制多台推进器同时上电瞬间对48v供电电源的巨大电流冲击。当多台推进器需要上电时先将启动电路小型固态继电器qd闭合，启动电阻串接在推进器48v供电回路中，起通电瞬间限流充电，以保护前级电路元器件的作用。延时5s充电完成后，潜水器控制系统3通过数字量输出do端口控制固态继电器km1的触点闭合将电阻短路，完成多台推进器的48v动力电上电过程。大功率设备启动电路20原理图如图4，启动电路中小型固态继电器u1采用松下aqv254，启动电阻r2～r5采用四个10k±1％1w贴片电阻并联使用，r1是启动电路20控制回路中的限流电阻，当in_ctrl+和in_ctrl-控制回路输入端施加5v～15v电压时，小型固态继电器u1管脚4、6与5导通闭合，此时启动电路输出负载端out+经启动电阻2.5kω与out-导通；当in_ctrl+和in_ctrl-控制回路输入端施加＜2v电压时，小型固态继电器u1管脚4、6与5断开，此时启动电路输出负载端out+与out-断开；电路体积只有16*11*2mm，可与大功率固态继电器km1封装在一起使用，有效地减少了电源管理系统元器件尺寸和安装体积。大功率设备启动控制方法流程图如图5所示，多台推进器上电时按照先上控制电12v，再上动力电48v的原则依次控制固态继电器k1、qd和km1闭合。

电源管理单元1输出48v经轨装接线端子xt1、大功率设备启动电路20、轨装接线端子xt2和力特过流保护熔断器fu最终连接至浮游载体的推进器。每台推进器48v供电回路分别对应相应的过流保护熔断器fu，当一台推进器出现过流或短路故障时，会烧断相对应的熔断器fu。使故障推进器从48v供电回路中切除，不影响载体其他48v设备的正常工作，达到了缩小单点故障影响范围的目的。

电流传感器21、22模块采用穿孔型霍尔电流传感器wcs1800检测48v供电回路电流，经运算放大器滤波限幅后输出0-5v模拟量电压信号至潜水器控制系统3ai接口进行信号采集运算得到推进器48v供电回路和底盘48v供电回路的实时电流值。电流传感器模块输出模拟量电压值公式为：其中：线性度k＝0.066v/a，vcc为工作电压5v，ia为导线中流过的电流，aout为电流传感器模块输出模拟量电压值。

浮游体电源转换板23可将电源管理单元1输出48v经4个dcdc隔离电源模块转换为24v、12v、5v电压分别供给浮游载体上的各个设备，如：推进器控制电源、高清摄像机电源、深度计电源、高度计电源、电子罗盘电源、光端机电源、主控板电源、io扩展板电源、照明灯电源、摄像机俯仰云台电源、声学定位装置电源。每个设备都对应各自独立的固态继电器开关k1～k7和过流保护熔断器f2～f8，经潜水器控制系统3数字量输出接口do控制可实现载体上各个设备独立上下电，单个设备故障不影响载体其他设备供电，极大的减少了单点故障影响的范围。

电源管理单元1输出48v经大功率固态继电器km2后接入底盘电源转换板24。当潜水器工作在爬行模式时，潜水器控制系统3可通过数字量输出接口do控制固态继电器km2对底盘电源供电回路进行上电和断电控制，大功率固态继电器km2可方便快捷地实现小型深海潜水器浮游和爬行双模式的供电回路切换。48v直流电接入底盘电源转接板后经dcdc隔离电源模块转换输出24v供给底盘控制板、履带电机及驱动器控制电输入接口、摆臂电机及驱动器控制电输入接口、电动机械手关节电机及驱动器控制电输入接口，wago接线端子xt3的另外三路48v直流电分别经过3个过流保护熔断器fu4～6接入履带电机及驱动器动力电输入接口、摆臂电机及驱动器动力电输入接口、电动机械手关节电机及驱动器动力电输入接口。

本发明可以在充油高压湿舱中使用，能够满足水下45mpa耐压要求。此电源管理系统是小型深海浮游爬行探测作业型潜水器可靠运行的重要保障，对于潜水器整体的安全性具有重要作用。本电源管理系统采用模块化的设计理念既有效地减小了电源系统体积，缩小了单点故障影响范围，又方便后期维护及调试，同时有效提高了潜水器深海浮游、爬行双模式探测作业的稳定性和可靠性。

综上所述，一种小型深海探测作业型潜水器电源管理系统方案，即满足潜水器正常工作时间的能量需求和最大航行功率需求，也减小了光电复合缆的线径和重量。提高了潜水器探测作业时的灵活性；提高了潜水器在深海未知工作环境下的可靠性和安全性。