[发明专利]一种水下滑翔机用低功耗控制系统及其控制方法

说明书

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I²C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。