CN105159313A - 一种无人潜器操控装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种无人潜器操控装置及控制方法。包括两台显示器、工控机和操控单元。第一显示器用于显示操控界面及当前的无人潜器操控指令，第二显示器用于三维显示无人潜器的运动状态及列表显示其状态信息。第二显示器位于第一显示器上方，两台显示器采用视频线与工控机相连，操控单元通过信号隔离板与工控机连接，工控机通过网络模块与无人潜器连接，实时发送操控指令，并获得无人潜器的位置信息和姿态信息以及故障信息等。在无人潜器的操控过程中，有自动控制和手动控制两种方式；它具有简洁实用、操控简单、成本较低、***稳定性好、可移植性高等特点，解决了无人潜器的操控问题，提高了操控***的可操作性和舒适性。

Description

一种无人潜器操控装置及控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种无人潜器操控装置，尤其是涉及一种无人潜器地面远程操控装置。本发明也涉及一种无人潜器操控方法。

背景技术

21世纪，随着人类不断认识海洋、开发利用海洋资源和保护海洋的进程，无人潜器(UnmannedUnderwaterVehicle)这一高新技术得到迅速发展，其被认为是成功完成各种水下任务希望之星。目前无人潜器成功应用于海底地形地貌勘察、海洋资源及地质调查、海洋环境和水文参数测量、生物考察等任务中。无人潜器安装的设备，或是独一无二的，或是相当昂贵的，在任务过程中采集的数据也是十分重要的。设计开发一套稳定可靠、高效安全的无人潜器操控***显得尤为重要。

目前大多数操控***只是基于软件实现无人潜器的操纵控制或者只是加入简单的操纵手柄，实现无人潜器的操纵与控制，这些***存在人机交互性差、稳定性低、***性不强等特点。以往的操控***中，故障下无人潜器的操作完全根据操作员的经验来实现，不能够完全科学地进行故障状态下的强力挽回，且操作员经验有限。所以开发一套具有应付突发事件，能在故障状态强力挽回，即拥有智能抗沉能力的无人潜器操控装置具有实际的工程价值。

发明内容

本发明的目的在于提出一种通用性好、稳定性高、易于实现、实用性强、成本低廉且具有智能抗沉能力的无人潜器操控装置。本发明的目的还在于提供一种无人潜器控制方法。

本发明的无人潜器操控装置包括两个显示器、工控机、操控单元和网络模块；第一显示器与工控机通过HDMI连接线连接，用于显示操控界面及当前的无人潜器操控指令；第二显示器通过VGA视屏线与工控机连接，用于三维显示无人潜器的运动状态及列表显示其状态信息；工控机读取操控单元操作员的操控指令，通过网络模块发送执行器指令信息给无人潜器，同时在第一显示器显示；无人潜器接受执行器指令的同时，将艇内传感器的信息和艇内各设备工作情况通过网络发送到工控机，用于进行下一节拍的解算或者信息输入；所述操控单元由按钮开关、单双色指示灯、操纵杆和电位器组成，操控单元通过隔离信号板经USB接口、串口和DIO卡与工控机连接来获取操作员操纵指令的功能。

本发明的无人潜器操控装置还可以包括：

1、第二显示器与第一显示器成106°夹角，第二显示器位于最上方，操控单元位于中部，工控机和网络模块置于柜体中。

2、所述操控单元主要由指示、按钮开关，3个单轴双方向霍尔型操纵杆、速度电位器、轨迹球和工业数字小键盘组成，指示灯有单色灯和双色灯，单色用于显示控制方式、控制策略以及当前操作状态，双色灯用于显示设备是否正常工作，按钮开关用于设备供电、控制方式选择和控制策略选择等的操作，操纵杆用于舵角的输入，速度电位器用于输入推进器的转速输入。

3、所述隔离信号板包括继电器、串口模块、AD采集模块、隔离电源和数字隔离芯片ADUM1401，操纵杆和电位器经串口模块连接数字隔离芯片ADUM1401，单双色指示灯经继电器连接数字隔离芯片ADUM1401。

本发明的无人潜器控制方法，主要包括以下步骤：

1)操控装置与无人潜器通过网络模块建立网络连接，

2)发送指令实现无人潜器各任务设备供电，

3)操控单元选择控制方式及控制策略，输入相关操控指令，

4)操纵控制模块根据操控指令和获得的无人潜器状态信息生成执行器指令，

5)通过网络模块发送执行器指令至无人潜器，无人潜器开始工作，

6)重复步骤2)-5)；

步骤3)中控制方式包括自动控制与手动控制，所述手动控制是直接从控制单元输入控制指令，经网络模块与无人潜器建立网络连接，进行传输；所述自动控制是根据操控单元输入的目标指令和获取的无人潜器状态信息，利用控制算法解算得到实时执行器指令，传输至无人潜器运动；

步骤4)中生成执行器指令的过程主要分为三种，既手动控制时执行器指令，自动控制时执行器指令和智能抗沉执行器智力：

步骤4)中手动控制时执行器指令的获取直接通过工控机中与信号隔离板直接获得操控单元的执行器指令。

步骤4)中自动控制时生成执行器指令的过程主要为自动控制过程和推力分配过程，其中自动控制采用参数自适应S面控制，其S面曲线如下：

$Y\left(t\right)=-1.0+\frac{2.0}{1.0+\exp (-\mathrm{ke}\×e-\mathrm{kv}\×\mathrm{ee})}$

其中：

Y(t)为输出，无因次化量；

e和ee为偏差和偏差变化率，归一化处理；

ke和kv为偏差控制参数和偏差变化率控制参数。

其中ke和kv会根据无人潜器的基本参数和自动控制目标进行选取。相同的自动控制目标，不同的无人潜器具有不同的控制参数；同一无人潜器，不同的自动控制目标具有不同的控制参数。

步骤4)中的自动控制过程，包含以下过程：

S01：根据设定的目标值和该时刻无人潜器的状态及上一时刻偏差变化量Δe，计算此刻的偏差值e，判断若e在允许范围内，则保持此刻状态不变，否则由上一时刻变化量Δe/t求得此刻的偏差变化率ee；

S02：e及ee进行无因次化：将e/e_max、ee/ee_max无因次化得e′、ee′，并将无因次化后所得的e′和ee′，若ee′＞1，取ee′＝1，若ee′＜-1，取ee′＝-1；

S03：根据控制目标和无人潜器基本参数选择控制参数k₁、k₂；

S04：根据S面曲线求解控制力F′；

S05：将控制力矩F′有因次化F_max·F′得F，并将F输出。

其中，F_max为控制***一个节拍内能产生的最大控制力矩，e_max、ee_max为在最大控制力下能改变的最大偏差及产生的最大偏差变化率；推力分配过程是根据自动控制过程中得到的控制力矩/力结算得到执行器指令，包括推进器转速、舵角、水舱泵阀开关；

步骤4)中当发生破舱故障时，潜器舱内进水，重力大于浮力引起非正常下潜，此时智能抗沉生成执行器指令的过程，主要包括：

S06：破舱故障发生时，采集故障信息；

S07：根据采集的故障信息，进行高压吹除位置选择和进行抗沉策略选择；

S08：根据S07中的选择，进行智能解算；

S09：推力分配，生成执行器指令。

其中，步骤S07中，主要采集的故障信息为破舱故障发生的位置和故障发生时无人潜器所处的深度信息；

步骤S08中，高压吹除的位置主要为破舱的位置，其中智能抗沉策略包括保持当前航行深度和立即紧急上浮；

步骤S08中，自动控制解算是根据步骤S07中的策略，求解一个时间节拍内控制力矩/力。

步骤S09中，推力分配产生的执行器指令主要包括车舵信息，即推进器转速和舵角，高压吹除信息。

本发明的无人潜器操控装置主要包括两个显示器、工控机、操控单元和网络模块。第一显示器，与工控机通过HDMI(一种视频连接线)连接线连接，用于显示操控界面及当前的无人潜器操控指令；第二显示器，通过VGA(一种视频连接线)视屏线与所述工控机连接，用于三维显示无人潜器的运动状态及列表显示其状态信息，实现对无人潜器的监控；所述工控机通过内置的驱动程序读取操控单元操作员的操控指令，通过网络模块发送执行器指令信息给无人潜器，实现无人潜器的运动控制与任务设备的操控，同时在操控显示器显示；另一方面，无人潜器接受执行器指令的同时，将艇内传感器的信息和艇内各设备工作情况通过网络发送到工控机，以便进行下一节拍的解算或者信息输入；所述操控单元由按钮开关、单双色指示灯、操纵杆和电位器等组成，通过隔离信号板，经USB接口、串口和DIO卡与工控机连接来获取操作员操纵指令的功能。

基于无人潜器操控装置的无人潜器操控实现方法，可通过操控单元按钮单独实现控制方式和控制策略的选择，也可以通过内置的软件单独实现，但两者信息同步更新。无人潜器运动具有很强的非线性，在自动控制方式中，采用S面控制模型，很好地处理无人潜器非线性问题。在实现过程中，加入了智能抗沉模块，适合破舱故障状态下有效地挽回。

与已有技术相对比本发明具有如下优越性：

1、采用两个显示器进行显示：一台显示操控界面及当前的无人潜器操控指令，另一台三维显示无人潜器的运动状态及列表显示其状态信息，实现对无人潜器的监控。

2、具有智能抗沉能力，在破舱故障状态下可有效地进行挽回。

本发明通用性好、稳定性高、易于实现、实用性强、成本低廉且具有智能抗沉能力。

附图说明

图1是无人潜器操控装置硬件组成示意图。

图2是无人潜器操控装置外观图。

图3是操控单元示意图。

图4是隔离信号板工作原理示意图。

图5是无人潜器操控实现方式流程图。

图6是自动控制原理流程图。

图7是智能抗沉原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

结合图1，本发明的无人潜器操控装置包括两个显示器、工控机3、操控单元和网络模块5。第一显示器1，与工控机3通过HDMI(一种视频连接线)连接线连接，用于显示操控界面及当前的无人潜器操控指令；第二显示器2，通过VGA(一种视频连接线)视屏线与工控机3连接，用于三维显示无人潜器的运动状态及列表显示其状态信息，实现对无人潜器的监控；工控机3通过内置的驱动程序读取操控单元操作员的操控指令，通过网络模块5发送执行器指令信息给无人潜器，实现无人潜器的运动控制与任务设备的操控，同时在第一显示器1显示；另一方面，无人潜器将艇内传感器的信息和艇内各设备工作情况通过网络发送到工控机3，以便进行下一节拍的执行器指令解算或操控指令输入；操控单元上输入设备通过隔离信号板7经USB、串口和DIO卡与工控机3连接，实现操控指令获取；网络模块5与工控机3中内置的网卡相连接，实现与无人潜器建立网络连接，为数据传输提供保障。

结合图2，第二显示器2布置在无人潜器操控装置最上方部位，与第一显示器1成106°夹角，操控单元通过8个M6螺丝并紧安装在无人潜器操控装置中部，工控机和网络模块都内置于无人潜器操控装置下部柜体。

结合图3，本发明的无人潜器操控装置的操控单元主要由指示灯4-1、按钮开关4-2、3个单轴双方向霍尔型操纵杆4-3、速度电位器4-4，轨迹球4-5和工业数字小键盘4-6组成。指示灯有单色灯和双色灯，单色用于显示控制方式、控制策略以及当前操作状态，双色灯用于显示设备是否正常工作；按钮开关用于设备供电、控制方式选择和控制策略选择等的操作；操纵杆主要用于舵角的输入，速度电位器用于输入推进器的转速输入。其中的控制方式有自动控制和手动控制：自动控制，即根据数字小键盘输入的目标状态和当前无人潜器的实时状态解算得到执行器指令；手动控制，即直接通过操纵杆、按钮开关、速度电位器等输入设备直接输入执行器指令。控制策略有操舵策略和调水策略。

为了确保操控单元中各按钮、各指示灯、操纵杆以及电位器等之间的信号稳定、不互相影响和防止由于线路短路或信号异常导致采集卡损坏，在本装置中加入了一块隔离信号板7；其工作原理如图4所示，该隔离信号板主要由继电器、串口模块、AD采集模块、隔离电源和数字隔离芯片ADUM1401组成。

结合图5，基于所述的无人潜器操控装置的无人潜器操控实现方法，主要包括以下步骤：

1)操控装置与无人潜器通过网络模块建立网络连接；

2)发送指令实现无人潜器各任务设备供电；

3)操控单元选择控制方式及控制策略，输入相关操控指令；

4)操纵控制模块根据操控指令和获得的无人潜器状态信息生成执行器指令；

5)通过网络模块发送执行器指令至无人潜器，无人潜器开始工作；

6)重复步骤2)-5)。

其中：

步骤1)中无人潜器作为服务器优先开启，操控装置作为客户端访问。

步骤2)中控制方式有自动控制和手动控制两种控制方式：手动控制，直接从控制单元输入控制指令，经网络模块与无人潜器建立网络连接，进行传输；自动控制，根据操控单元输入的目标指令和获取的无人潜器状态信息(速度信息、位姿信息、加速度信息等)，利用控制算法解算得到实时执行器指令，传输至无人潜器运动。

步骤4)中生成执行器指令的过程主要分为三种，既手动控制时执行器指令，自动控制时执行器指令和智能抗沉执行器智力：

步骤4)中手动控制时执行器指令的获取直接通过工控机中与信号隔离板直接获得操控单元的执行器指令。

步骤4)中自动控制时生成执行器指令的过程主要为自动控制过程和推力分配过程，其中自动控制采用参数自适应S面控制，其S面曲线如下：

$Y\left(t\right)=-1.0+\frac{2.0}{1.0+\exp (-\mathrm{ke}\×e-\mathrm{kv}\×\mathrm{ee})}$

其中：

Y(t)为输出，无因次化量；

e和ee为偏差和偏差变化率，归一化处理；

ke和kv为偏差控制参数和偏差变化率控制参数。

其中ke和kv会根据无人潜器的基本参数和自动控制目标进行选取。相同的自动控制目标，不同的无人潜器具有不同的控制参数；同一无人潜器，不同的自动控制目标具有不同的控制参数。

步骤4)中的自动控制过程，包含以下过程：

S01：根据设定的目标值和该时刻无人潜器的状态及上一时刻偏差变化量Δe，计算此刻的偏差值e，判断若e在允许范围内，则保持此刻状态不变，否则由上一时刻变化量Δe/t求得此刻的偏差变化率ee；

S02：e及ee进行无因次化：将e/e_max、ee/ee_max无因次化得e′、ee′，并将无因次化后所得的e′和ee′，若ee′＞1，取ee′＝1，若ee′＜-1，取ee′＝-1；

S03：根据控制目标和无人潜器基本参数选择控制参数k₁、k₂；

S04：根据S面曲线求解控制力F′；

S05：将控制力矩F′有因次化F_max·F′得F，并将F输出。

其中，F_max为控制***一个节拍内能产生的最大控制力矩，e_max、ee_max为在最大控制力下能改变的最大偏差及产生的最大偏差变化率；推力分配过程是根据自动控制过程中得到的控制力矩/力结算得到执行器指令，包括推进器转速、舵角、水舱泵阀开关；

步骤4)中当发生破舱故障时，潜器舱内进水，重力大于浮力引起非正常下潜，此时采用智能抗沉进行挽回，其工作原理如图7所示，主要包括：

S05：破舱故障发生时，采集故障信息；

S06：根据采集的故障信息，进行高压吹除位置选择和进行抗沉策略选择；

S07：根据S06中的选择，进行智能解算；

S08：推力分配，生成执行器指令。

其中，步骤S05中，主要采集的故障信息为破舱故障发生的位置和故障发生时无人潜器所处的深度信息；

步骤S06中，高压吹除的位置主要为破舱的位置，其中智能抗沉策略包括保持当前航行深度和立即紧急上浮；

步骤S07中，自动控制解算是根据步骤S06中的策略，求解一个时间节拍内控制力矩/力。

步骤S08中，推力分配产生的执行器指令主要包括车舵信息，即推进器转速和舵角，高压吹除信息。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施而已，并不限制本发明，所以基于本发明的基本思想而进行修改、替换、改进等，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种无人潜器操控装置，包括两个显示器、工控机、操控单元和网络模块；其特征是：第一显示器与工控机通过HDMI连接线连接，用于显示操控界面及当前的无人潜器操控指令；第二显示器通过VGA视屏线与工控机连接，用于三维显示无人潜器的运动状态及列表显示其状态信息；工控机读取操控单元操作员的操控指令，通过网络模块发送执行器指令信息给无人潜器，同时在第一显示器显示；无人潜器接受执行器指令的同时，将艇内传感器的信息和艇内各设备工作情况通过网络发送到工控机，用于进行下一节拍的解算或者信息输入；所述操控单元由按钮开关、单双色指示灯、操纵杆和电位器组成，操控单元通过隔离信号板经USB接口、串口和DIO卡与工控机连接来获取操作员操纵指令的功能。

2.根据权利要求1所述的无人潜器操控装置，其特征是：第二显示器与第一显示器成106°夹角，第二显示器位于最上方，操控单元位于中部，工控机和网络模块置于柜体中。

3.根据权利要求2所述的无人潜器操控装置，其特征是：所述操控单元主要由指示、按钮开关，3个单轴双方向霍尔型操纵杆、速度电位器、轨迹球和工业数字小键盘组成，指示灯有单色灯和双色灯，单色用于显示控制方式、控制策略以及当前操作状态，双色灯用于显示设备是否正常工作，按钮开关用于设备供电、控制方式选择和控制策略选择等的操作，操纵杆用于舵角的输入，速度电位器用于输入推进器的转速输入。

4.根据权利要求3所述的无人潜器操控装置，其特征是：所述隔离信号板包括继电器、串口模块、AD采集模块、隔离电源和数字隔离芯片ADUM1401，操纵杆和电位器经串口模块连接数字隔离芯片ADUM1401，单双色指示灯经继电器连接数字隔离芯片ADUM1401。

5.一种基于权利要求1所述的无人潜器操控装置的控制方法，其特征包含以下步骤：

1)操控装置与无人潜器通过网络模块建立网络连接，

2)发送指令实现无人潜器各任务设备供电，

3)操控单元选择控制方式及控制策略，输入相关操控指令，

4)操纵控制模块根据操控指令和获得的无人潜器状态信息生成执行器指令，

5)通过网络模块发送执行器指令至无人潜器，无人潜器开始工作，

6)重复步骤2)-5)。

6.根据权利要求5所述的无人潜器的控制方法，其特征是：所述的控制方式包含手动控制和自动控制。

7.根据权利要求5所述的无人潜器的控制方法，其特征是：当步骤3)中选择自动控制时，步骤4)中生成执行器指令的过程为自动控制过程和推力分配过程，自动控制过程为参数自适应S面控制过程，包含以下步骤：

S01：根据目标值和上一时刻状态，计算偏差值e和偏差变化率ee；

S02：计算偏差值e和偏差变化率ee无因次化；

S03：根据控制目标和无人潜器基本参数选择控制参数k₁、k₂；

S04：求解控制力F′；

S05：控制力F′有因次化F_max·F′得推力F,

其中，F_max为调水控制***一个节拍内能产生的最大控制力矩；推力分配过程是根据自动控制过程中得到的控制力矩/力结算得到执行器指令，包括推进器转速、舵角、水舱泵阀开关；

当发生破舱故障时，潜器舱内进水，重力大于浮力引起非正常下潜，生成执行器指令的过程为智能抗沉过程，主要包括：

S06：破舱故障发生时，采集故障信息；

S07：根据采集的故障信息，进行高压吹除位置选择和进行抗沉策略选择；

S08：根据S07中的选择，进行智能抗沉解算；

S09：推力分配，生成执行器指令。

8.根据权利要求7所述的无人潜器的控制方法，其特征是：步骤S06中，主要采集的故障信息为破舱故障发生的位置和故障发生时无人潜器所处的深度信息。

9.根据权利要求7所述的无人潜器的控制方法，其特征是：步骤S07中，高压吹除的位置主要为破舱的位置，其中智能抗沉策略包括保持当前航行深度和立即紧急上浮。

10.根据权利要求7所述的无人潜器的控制方法，其特征是：步骤S09中，推力分配产生的执行器指令主要包括车舵信息，即推进器转速和舵角，高压吹除信息。