一種無人潛器操控裝置及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種無人潛器操控裝置,尤其是涉及一種無人潛器地面遠程操控 裝置。本發(fā)明也涉及一種無人潛器操控方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 21世紀,隨著人類不斷認識海洋、開發(fā)利用海洋資源和保護海洋的進程,無人潛器 (Unmanned Underwater Vehicle)這一高新技術(shù)得到迅速發(fā)展,其被認為是成功完成各種 水下任務(wù)希望之星。目前無人潛器成功應(yīng)用于海底地形地貌勘察、海洋資源及地質(zhì)調(diào)查、海 洋環(huán)境和水文參數(shù)測量、生物考察等任務(wù)中。無人潛器安裝的設(shè)備,或是獨一無二的,或是 相當昂貴的,在任務(wù)過程中采集的數(shù)據(jù)也是十分重要的。設(shè)計開發(fā)一套穩(wěn)定可靠、高效安全 的無人潛器操控系統(tǒng)顯得尤為重要。
[0003]目前大多數(shù)操控系統(tǒng)只是基于軟件實現(xiàn)無人潛器的操縱控制或者只是加入簡單 的操縱手柄,實現(xiàn)無人潛器的操縱與控制,這些系統(tǒng)存在人機交互性差、穩(wěn)定性低、系統(tǒng)性 不強等特點。以往的操控系統(tǒng)中,故障下無人潛器的操作完全根據(jù)操作員的經(jīng)驗來實現(xiàn),不 能夠完全科學(xué)地進行故障狀態(tài)下的強力挽回,且操作員經(jīng)驗有限。所以開發(fā)一套具有應(yīng)付 突發(fā)事件,能在故障狀態(tài)強力挽回,即擁有智能抗沉能力的無人潛器操控裝置具有實際的 工程價值。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明的目的在于提出一種通用性好、穩(wěn)定性高、易于實現(xiàn)、實用性強、成本低廉 且具有智能抗沉能力的無人潛器操控裝置。本發(fā)明的目的還在于提供一種無人潛器控制方 法。
[0005] 本發(fā)明的無人潛器操控裝置包括兩個顯示器、工控機、操控單元和網(wǎng)絡(luò)模塊;第一 顯示器與工控機通過HDMI連接線連接,用于顯示操控界面及當前的無人潛器操控指令;第 二顯示器通過VGA視屏線與工控機連接,用于三維顯示無人潛器的運動狀態(tài)及列表顯示其 狀態(tài)信息;工控機讀取操控單元操作員的操控指令,通過網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送執(zhí)行器指令信息給 無人潛器,同時在第一顯示器顯示;無人潛器接受執(zhí)行器指令的同時,將艇內(nèi)傳感器的信息 和艇內(nèi)各設(shè)備工作情況通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到工控機,用于進行下一節(jié)拍的解算或者信息輸入; 所述操控單元由按鈕開關(guān)、單雙色指示燈、操縱桿和電位器組成,操控單元通過隔離信號板 經(jīng)USB接口、串口和DIO卡與工控機連接來獲取操作員操縱指令的功能。
[0006] 本發(fā)明的無人潛器操控裝置還可以包括:
[0007] 1、第二顯示器與第一顯示器成106°夾角,第二顯示器位于最上方,操控單元位于 中部,工控機和網(wǎng)絡(luò)模塊置于柜體中。
[0008] 2、所述操控單元主要由指示、按鈕開關(guān),3個單軸雙方向霍爾型操縱桿、速度電位 器、軌跡球和工業(yè)數(shù)字小鍵盤組成,指示燈有單色燈和雙色燈,單色用于顯示控制方式、控 制策略以及當前操作狀態(tài),雙色燈用于顯示設(shè)備是否正常工作,按鈕開關(guān)用于設(shè)備供電、控 制方式選擇和控制策略選擇等的操作,操縱桿用于舵角的輸入,速度電位器用于輸入推進 器的轉(zhuǎn)速輸入。
[0009] 3、所述隔離信號板包括繼電器、串口模塊、AD采集模塊、隔離電源和數(shù)字隔離芯片 ADUM1401,操縱桿和電位器經(jīng)串口模塊連接數(shù)字隔離芯片ADUM1401,單雙色指示燈經(jīng)繼電 器連接數(shù)字隔離芯片ADUM1401。
[0010] 本發(fā)明的無人潛器控制方法,主要包括以下步驟:
[0011] 1)操控裝置與無人潛器通過網(wǎng)絡(luò)模塊建立網(wǎng)絡(luò)連接,
[0012] 2)發(fā)送指令實現(xiàn)無人潛器各任務(wù)設(shè)備供電,
[0013] 3)操控單元選擇控制方式及控制策略,輸入相關(guān)操控指令,
[0014] 4)操縱控制模塊根據(jù)操控指令和獲得的無人潛器狀態(tài)信息生成執(zhí)行器指令,
[0015] 5)通過網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送執(zhí)行器指令至無人潛器,無人潛器開始工作,
[0016] 6)重復(fù)步驟 2)-5);
[0017] 步驟3)中控制方式包括自動控制與手動控制,所述手動控制是直接從控制單元 輸入控制指令,經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊與無人潛器建立網(wǎng)絡(luò)連接,進行傳輸;所述自動控制是根據(jù)操 控單元輸入的目標指令和獲取的無人潛器狀態(tài)信息,利用控制算法解算得到實時執(zhí)行器指 令,傳輸至無人潛器運動;
[0018] 步驟4)中生成執(zhí)行器指令的過程主要分為三種,既手動控制時執(zhí)行器指令,自動 控制時執(zhí)行器指令和智能抗沉執(zhí)行器智力:
[0019] 步驟4)中手動控制時執(zhí)行器指令的獲取直接通過工控機中與信號隔離板直接獲 得操控單元的執(zhí)行器指令。
[0020] 步驟4)中自動控制時生成執(zhí)行器指令的過程主要為自動控制過程和推力分配過 程,其中自動控制采用參數(shù)自適應(yīng)S面控制,其S面曲線如下:
[0021]
[0022] 其中:
[0023] Y⑴為輸出,無因次化量;
[0024] e和ee為偏差和偏差變化率,歸一化處理;
[0025] ke和kv為偏差控制參數(shù)和偏差變化率控制參數(shù)。
[0026] 其中ke和kv會根據(jù)無人潛器的基本參數(shù)和自動控制目標進行選取。相同的自動 控制目標,不同的無人潛器具有不同的控制參數(shù);同一無人潛器,不同的自動控制目標具有 不同的控制參數(shù)。
[0027] 步驟4)中的自動控制過程,包含以下過程:
[0028] SOl :根據(jù)設(shè)定的目標值和該時刻無人潛器的狀態(tài)及上一時刻偏差變化量Δ e,計 算此刻的偏差值e,判斷若e在允許范圍內(nèi),則保持此刻狀態(tài)不變,否則由上一時刻變化量 Δ e/t求得此刻的偏差變化率ee ;
[0029] S02 :e及ee進行無因次化:將e/emax、ee/eemax無因次化得e'、ee',并將無因次 化后所得的 ^ 和 ee',若 ee' >1,取 ee' =1,若 ee' <-1,取 ee' =-1;
[0030] S03 :根據(jù)控制目標和無人潛器基本參數(shù)選擇控制參數(shù)kp k2;
[0031] S04:根據(jù)S面曲線求解控制力P ;
[0032] S05:將控制力矩P有因次化?_·^得F,并將F輸出。
[0033] 其中,F(xiàn)niax為控制系統(tǒng)一個節(jié)拍內(nèi)能產(chǎn)生的最大控制力矩,e _、θθ_為在最大控制 力下能改變的最大偏差及產(chǎn)生的最大偏差變化率;推力分配過程是根據(jù)自動控制過程中得 到的控制力矩/力結(jié)算得到執(zhí)行器指令,包括推進器轉(zhuǎn)速、舵角、水艙栗閥開關(guān);
[0034] 步驟4)中當發(fā)生破艙故障時,潛器艙內(nèi)進水,重力大于浮力引起非正常下潛,此 時智能抗沉生成執(zhí)行器指令的過程,主要包括:
[0035] S06 :破艙故障發(fā)生時,采集故障信息;
[0036] S07 :根據(jù)采集的故障信息,進行高壓吹除位置選擇和進行抗沉策略選擇;
[0037] S08 :根據(jù)S07中的選擇,進行智能解算;
[0038] S09 :推力分配,生成執(zhí)行器指令。
[0039] 其中,步驟S07中,主要采集的故障信息為破艙故障發(fā)生的位置和故障發(fā)生時無 人潛器所處的深度信息;
[0040] 步驟S08中,高壓吹除的位置主要為破艙的位置,其中智能抗沉策略包括保持當 前航行深度和立即緊急上??;
[0041 ] 步驟S08中,自動控制解算是根據(jù)步驟S07中的策略,求解一個時間節(jié)拍內(nèi)控制力 矩/力。
[0042] 步驟S09中,推力分配產(chǎn)生的執(zhí)行器指令主要包括車舵信息,即推進器轉(zhuǎn)速和舵 角,高壓吹除信息。
[0043] 本發(fā)明的無人潛器操控裝置主要包括兩個顯示器、工控機、操控單元和網(wǎng)絡(luò)模塊。 第一顯示器,與工控機通過HDMI (-種視頻連接線)連接線連接,用于顯示操控界面及當前 的無人潛器操控指令;第二顯示器,通過VGA (-種視頻連接線)視屏線與所述工控機連接, 用于三維顯示無人潛器的運動狀態(tài)及列表顯示其狀態(tài)信息,實現(xiàn)對無人潛器的監(jiān)控;所述 工控機通過內(nèi)置的驅(qū)動程序讀取操控單元操作員的操控指令,通過網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送執(zhí)行器指 令信息給無人潛器,實現(xiàn)無人潛器的運動控制與任務(wù)設(shè)備的操控,同時在操控顯示器顯示; 另一方面,無人潛器接受執(zhí)行器指令的同時,將艇內(nèi)傳感器的信息和艇內(nèi)各設(shè)備工作情況 通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到工控機,以便進行下一節(jié)拍的解算或者信息輸入;所述操控單元由按鈕開 關(guān)、單雙色指示燈、操縱桿和電位器等組成,通過隔離信號板,經(jīng)USB接口、串口和DIO卡與 工控機連接來獲取操作員操縱指令的功能。
[0044] 基于無人潛器操控裝置的無人潛器操控實現(xiàn)方法,可通過操控單元按鈕單獨實現(xiàn) 控制方式和控制策略的選擇,也可以通過內(nèi)置的軟件單獨實現(xiàn),但兩者信息同步更新。無人 潛器運動具有很強的非線性,在自動控制方式中,采用S面控制模型,很好地處理無人潛器 非線性問題。在實現(xiàn)過程中,加入了智能抗沉模塊,適合破艙故障狀態(tài)下有效地挽回。
[0045] 與已有技術(shù)相對比本發(fā)明具有如下優(yōu)越性:
[0046] 1、采用兩個顯示器進行顯示:一臺顯示操控界面及當前的無人潛器操控指令,另 一臺三維顯示無人潛器的運動狀態(tài)及列表顯示其狀態(tài)信息,實現(xiàn)對無人潛器的監(jiān)控。
[0047] 2、具有智能抗沉能力,在破艙故障狀態(tài)下可有效地進行挽回。
[0048] 本發(fā)明通用性好、穩(wěn)定性高、易于實現(xiàn)、實用性強、成本低廉且具有智能抗沉能力。
【附圖說明】
[0049] 圖1是無人潛器操控裝置硬件組成示意圖。
[0050] 圖2是無人潛器操控裝置外觀圖。
[0051 ] 圖3是操控單元示意圖。
[0052] 圖4是隔離信號板工作原理示意圖。
[0053] 圖5是無人潛器操控實現(xiàn)方式流程圖。
[0054] 圖6是自動控制原理流程圖。
[0055] 圖7是智能抗沉原理圖。
【具體實施方式】
[0056] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0057] 結(jié)合圖1,本發(fā)明的無人潛器操控裝置包括兩個顯示器、工控機3、操控單元和網(wǎng) 絡(luò)模塊5。第一顯示器1,與工控機3通過HDMI (-種視頻連接線)連接線連接,用于顯示操 控界面及當前的無人潛器操控指令;第二顯示器2,通過VGA (-種視頻連接線)視屏線與 工控機3連接,用于三維顯示無人潛器的運動狀態(tài)及列表顯示其狀態(tài)信息,實現(xiàn)對無人潛 器的監(jiān)控;工控機3通過內(nèi)置的驅(qū)動程序讀取操控單元操作員的操控指令,通過網(wǎng)絡(luò)模塊 5發(fā)送執(zhí)行器指令信息給無人潛器,實現(xiàn)無人潛器的運動控制與任務(wù)設(shè)備的操控,同時在第 一顯示器1顯示;另一方面,無人潛器將艇內(nèi)傳感器的信息和艇內(nèi)各設(shè)備工作情況通過網(wǎng) 絡(luò)發(fā)送到工控機3,以便進行下一節(jié)拍的執(zhí)行器指令解算或操控指令輸入;操控單元上輸 入設(shè)備通過隔離信號板7經(jīng)USB、串口和DIO卡與工控機3連接,實現(xiàn)操控指令獲??;網(wǎng)絡(luò) 模塊5與工控機3中內(nèi)置的網(wǎng)卡相連接,實現(xiàn)與無人潛器建立網(wǎng)絡(luò)連接,為數(shù)據(jù)傳輸提供保 障。
[0058] 結(jié)合圖2,第二顯示器2布置在無人潛器操控裝置最上方部位,與第一顯示器1成 106 °夾角,操控單元通過8個M6螺絲并緊安裝在無人潛器操控裝置中部,工控機和網(wǎng)