CN118113029A - 一种用于水面无人艇的驾驶控制***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水面艇无人驾驶领域，具体说是一种用于水面无人艇的驾驶控制***及方法。包括：主控制器、驾驶切换装置、手动驾驶装置以及自动驾驶***；手动驾驶装置和自动驾驶***均与驾驶切换装置连接；主控制器发送的IO控制信号至驾驶切换装置，同时将接收到的当前时刻自动驾驶***反馈的液压缸的液压杆的直线行程转换为喷嘴角度后，与喷嘴角度的期望值进行比对，并输出下一时刻DA模拟信号的控制量至自动驾驶***；驾驶切换装置根据主控制器是否发送的IO控制信号，以控制自动驾驶***或手动驾驶装置；本发明人工驾驶模式向自动驾驶模式切换时，单刀双掷继电器能够实现在将常开电磁阀关断的同时打开常闭电磁阀，切换逻辑清晰、快速、可靠。

Description

一种用于水面无人艇的驾驶控制***及方法

技术领域

本发明属于适用于自主工作无人水面艇平台，主要面向水面艇无人驾驶领域，具体说是一种用于水面无人艇的驾驶控制***及方法。

背景技术

无人艇相比无人机、无人汽车起步较晚，处于高速发展期。为了保证在紧急情况下对无人艇的有效控制，以及调试过程中的方便性，通常情况下会保留人工驾驶模式。如何实现在人工驾驶和自动驾驶两种模式对艇内设备的有效控制是实现水面艇无人化的关键问题。现有无人艇的自动驾驶均是通过对有人艇的无人化改造实现的，有人艇的人工驾驶是通过艇上方向盘带动油泵，并通过油路驱动液压缸从而改变艇的方向。有人艇的人工驾驶并没有自动驾驶的控制接口，并且无法实现驾驶模式的切换。因此，设计一款可自由切换自动驾驶或手动驾驶的水面无人艇的驾驶控制尤为重要。

发明内容

本发明目的是提供一种实现人工驾驶与自动驾驶可靠切换的无人艇喷泵喷嘴控制方法。将人工驾驶模式作为无人水面艇默认的工作模式，人工驾驶时，通过人工转动方向盘，带动手动油泵旋转，从而驱动液压管路中的液压油，液压油经过常开电磁阀驱动液压缸做直线运动，喷泵机构将液压缸的直线运动转换成喷嘴的旋转运动。自动驾驶时，增加主控制器、电动油泵、比例阀、常开电磁阀、常闭电磁阀、单刀双掷继电器、溢流阀、油箱与直线形成传感器等设备，可以实时检测喷嘴的角度变化，反馈给主控制器进行数据处理，从而对喷嘴的转动角度进行有效控制。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种用于水面无人艇的驾驶控制***，连入水面无人艇的液压缸，以对水面无人艇的喷泵喷嘴进行控制，包括：主控制器、驾驶切换装置、手动驾驶装置以及自动驾驶***；

所述手动驾驶装置和自动驾驶***均与驾驶切换装置连接；

主控制器，用于发送的IO控制信号至驾驶切换装置，同时将接收到的当前时刻自动驾驶***反馈的液压缸的液压杆的直线行程转换为喷嘴角度后，与喷嘴角度的期望值进行比对，并输出下一时刻DA模拟信号的控制量至自动驾驶***；

驾驶切换装置，用于根据主控制器是否发送的IO控制信号，控制自动驾驶***或手动驾驶装置与水面无人艇的液压缸之间的管路形成通路；

所述手动驾驶装置，用于当主控制器未发送IO控制信号至驾驶切换装置，启动手动模式，人为手动对水面无人艇的喷泵喷嘴进行控制；

所述自动驾驶***，用于当主控制器发送IO控制信号至驾驶切换装置，切换为自动模式，并接收主控制器输出的下一时刻DA模拟信号的控制量对水面无人艇的喷泵喷嘴进行控制。

所述主控制器，包括：控制芯片以及与其AD输入接口、DA输出接口以及IO输出接口；

所述控制芯片，用于通过IO输出接口发送的IO控制信号至驾驶切换装置，同时通过AD输入接口将接收到的当前时刻自动驾驶***反馈的液压缸的液压杆的直线行程转换为喷嘴角度后，与喷嘴角度的期望值进行比对，并通过DA输出接口输出下一时刻DA模拟信号的控制量至自动驾驶***。

所述手动驾驶装置为设有方向盘的手动油泵；

手动油泵的输出端经驾驶切换装置与水面无人艇液压缸的输入端连接，通过将液压缸的直线运动转化成喷泵喷嘴的转动，从而实现在人工驾驶模式时对喷泵喷嘴角度的控制。

所述自动驾驶***，包括：电动油泵、比例阀、溢流阀以及直线行程传感器；

所述溢流阀设于水面无人艇的油箱与液压缸之间的管路上，用于当电动油泵输出的油压力增大时，以使流量需求减小，使多余流量溢回水面无人艇的油箱中；

所述电动油泵依次经比例阀、驾驶切换装置与溢流阀连接；

所述直线行程传感器设于液压缸的液压杆上，且与主控制器的AD输入接口连接，用于将采集到的对应喷泵喷嘴的角度信息转化为直线行程传感器电压信号；

所述比例阀与主控制器的AD输出接口连接，用于接收主控制生成喷嘴角度的变化方向的电压值，并根据电压值改变油路方向通径。

所述驾驶切换装置为单刀双掷继电器，包括：继电器线圈、一个常开电磁阀和一个常闭电磁阀；

所述常开电磁阀设于手动油泵与液压缸之间的管路上，当继电器线圈接收到主控制器的IO输出接口的驱动信号，继电器线圈不同点

一种用于水面无人艇的驾驶控制方法，包括以下步骤：

1)通过主控制器选择驾驶模式，当进入人工驾驶模式，驾驶切换装置的常开电磁阀默认开启状态，手动驾驶装置与液压缸之间的管路导通，人工转动方向盘带动手动油泵旋转，液压油通过油管驱动液压缸做直线运动，再通过喷泵机构将液压缸的直线运动转化成喷泵喷嘴的转动，从而实现在人工驾驶模式时对喷泵喷嘴角度的控制，此时无人水面艇艇体的运动方向相应有所变化。

2)主控制器输出IO控制信号至驾驶切换装置，驾驶切换装置切换为自动驾驶模式，自动控制喷泵喷水角度。

所述步骤2)，具体为：

主控制器利用IO输出功能，控制单刀双掷继电器动作，将常开电磁阀关闭的同时将常闭电磁阀开启，实现手动油泵和自动油泵的切换；

主控制器通过AD输入接口将直线行程传感器采集到的电压信号转化为当前时刻对应喷泵喷嘴角度信息，并与期望的喷嘴角度做差值；

将差值信息转化为下一时刻控制比例阀动作的DA信号输出至比例法，利用比例阀调节液压油的流速和流向，实现喷嘴角度的闭环控制。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明自动驾驶时，喷泵喷嘴期望角度与实际角度相一致时，电动油泵始终运行，多余的液压油经溢流阀流入油箱并形成液压油的循环，油箱应为封闭的油箱并散热良好。

2.本发明人工驾驶工作模式为无人水面艇的默认工作模式，人工驾驶模式的液压油路无需额外的液压源，常开电磁阀等设备无需额外的供电，人工驾驶模式具有较高的可靠性。

3.本发明人工驾驶模式向自动驾驶模式切换时，单刀双掷继电器能够实现在将常开电磁阀关断的同时打开常闭电磁阀，即常开电磁阀关断人工驾驶油路的同时，常闭电磁阀开启了自动驾驶油路，切换逻辑清晰，切换过程快速、可靠。

4.本发明可实现人工驾驶或自动驾驶的自由切换，且仅仅需要主控制器的IO控制信号即可完成。

附图说明

图1为本发明的***总体示意图；

图2为本发明的人工驾驶模式设备连接图；

图3为本发明的自动驾驶模式设备连接图；

图4为本发明的人工驾驶与自动驾驶模式两种工作模式切换流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，为本发明的***总体示意图。本发明主要为实现人工驾驶与自动驾驶两种模式对喷泵喷嘴角度控制的可靠切换。本发明的一种用于水面无人艇的驾驶控制***，连入水面无人艇的液压缸，以对水面无人艇的喷泵喷嘴进行控制，包括：主控制器、驾驶切换装置、手动驾驶装置以及自动驾驶***；

其中，液压油路的各设备流量与流速应匹配。手动驾驶装置和自动驾驶***均与驾驶切换装置连接；

主控制器，用于发送的IO控制信号至驾驶切换装置，同时将接收到的当前时刻自动驾驶***反馈的液压缸的液压杆的直线行程转换为喷嘴角度后，与喷嘴角度的期望值进行比对，并输出下一时刻DA模拟信号的控制量至自动驾驶***；

主控制器，包括：控制芯片以及与其AD输入接口、DA输出接口以及IO输出接口；控制芯片，用于通过IO输出接口发送的IO控制信号至驾驶切换装置，同时通过AD输入接口将接收到的当前时刻自动驾驶***反馈的液压缸的液压杆的直线行程转换为喷嘴角度后，与喷嘴角度的期望值进行比对，并通过DA输出接口输出下一时刻DA模拟信号的控制量至自动驾驶***。

主控制器的电气接口应与直线行程传感器和比例阀的电气接口相匹配，直线行程传感器的电压输出范围与主控制器的AD模拟量采集范围均为±10V，比例阀的输入控制电压范围与主控制器的DA驱动电压范围均为±10V。

驾驶切换装置，用于根据主控制器是否发送的IO控制信号，控制自动驾驶***或手动驾驶装置与水面无人艇的液压缸之间的管路形成通路；

驾驶切换装置为单刀双掷继电器，包括：继电器线圈、一个常开电磁阀和一个常闭电磁阀；

常开电磁阀设于手动油泵与液压缸之间的管路上，当继电器线圈接收到主控制器的IO输出接口的驱动信号，继电器线圈不同点。

手动驾驶装置，用于当主控制器未发送IO控制信号至驾驶切换装置，启动手动模式，人为手动对水面无人艇的喷泵喷嘴进行控制；

自动驾驶***，用于当主控制器发送IO控制信号至驾驶切换装置，切换为自动模式，并接收主控制器输出的下一时刻DA模拟信号的控制量对水面无人艇的喷泵喷嘴进行控制。

如图2所示，为本发明的人工驾驶模式设备连接图，手动驾驶装置为设有方向盘的手动油泵；

手动油泵的输出端经驾驶切换装置与水面无人艇液压缸的输入端连接，通过将液压缸的直线运动转化成喷泵喷嘴的转动，从而实现在人工驾驶模式时对喷泵喷嘴角度的控制。

人工驾驶时，通过人工转动方向盘，带动手动油泵旋转，从而驱动液压管路中的液压油，液压油经过常开电磁阀驱动液压缸做直线运动，喷泵机构将液压缸的直线运动转换成喷嘴的旋转运动。人工驾驶工作模式下，无需额外的液压动力源，手动油泵即可驱动液压缸。

在人工驾驶模式时，相关设备主要包括方向盘、手动油泵、常开电磁阀和液压缸。人工转动方向盘带动手动油泵旋转，常开电磁阀处于打开状态，液压油通过油管驱动液压缸做直线运动，再通过喷泵机构将液压缸的直线运动转化成喷泵喷嘴的转动，从而实现在人工驾驶模式时对喷泵喷嘴角度的控制。人工驾驶模式下，驾驶人员对于喷泵喷嘴的控制是开环控制方式，驾驶人员转动方向盘后，喷泵喷嘴喷出的水流有变化，此时无人水面艇艇体的运动方向相应有所变化，驾驶人员通过体感感知操纵方向盘的控制结果。

如图3所示，为本发明的自动驾驶模式设备连接图，自动驾驶***，包括：电动油泵、比例阀、溢流阀以及直线行程传感器；

溢流阀设于水面无人艇的油箱与液压缸之间的管路上，用于当电动油泵输出的油压力增大时，以使流量需求减小，使多余流量溢回水面无人艇的油箱中；

电动油泵依次经比例阀、驾驶切换装置与溢流阀连接；

直线行程传感器设于液压缸的液压杆上，且与主控制器的AD输入接口连接，用于将采集到的对应喷泵喷嘴的角度信息转化为直线行程传感器电压信号；

直线行程传感器的最大量程应与液压缸行程相匹配，即直线行程传感器的行程应大于且稍大于液压缸的直线行程。

液压缸直线行程与直线行程传感器电压值为一一对应关系，应进行标定。液压缸直线行程与喷泵喷嘴角度值为一一对应关系，应进行标定。主控制器可以通过检测直线行程传感器的输出电压，间接得到喷泵喷嘴的角度信息。

比例阀与主控制器的AD输出接口连接，用于接收主控制生成喷嘴角度的变化方向的电压值，并根据电压值改变油路方向通径。

在自动驾驶模式时，主控制器具有±10V的AD采集功能、IO输出功能以及±10V的DA输出功能。主控制器利用IO输出功能，控制单刀双掷继电器动作，将常开电磁阀关闭的同时将常闭电磁阀开启，实现手动油泵和自动油泵的切换。利用AD采集功能采集可以最终转换为喷泵喷嘴角度信息的直线行程传感器的电压信号，并对信号进行处理，与期望的喷嘴角度做差值，输出下一时刻控制比例阀动作的DA信号，利用比例阀调节液压油的流速和流向，实现喷嘴角度的闭环控制。自动驾驶模式下，电动油泵持续运转，当喷泵喷嘴期望角度与实际角度相一致时，额外的液压油经电动油泵、比例阀、常闭电磁阀、溢流阀与油箱形成液压油路的循环。

如图4所示，为本发明的人工驾驶与自动驾驶模式两种工作模式切换流程图，本发明的控制方法，包括以下步骤：

1)通过主控制器选择驾驶模式，当进入人工驾驶模式，驾驶切换装置的常开电磁阀默认开启状态，手动驾驶装置与液压缸之间的管路导通，人工转动方向盘带动手动油泵旋转，液压油通过油管驱动液压缸做直线运动，再通过喷泵机构将液压缸的直线运动转化成喷泵喷嘴的转动，从而实现在人工驾驶模式时对喷泵喷嘴角度的控制，此时无人水面艇艇体的运动方向相应有所变化。

2)主控制器输出IO控制信号至驾驶切换装置，驾驶切换装置切换为自动驾驶模式，自动控制喷泵喷水角度。

所述步骤2)，具体为：

主控制器利用IO输出功能，控制单刀双掷继电器动作，将常开电磁阀关闭的同时将常闭电磁阀开启，实现手动油泵和自动油泵的切换；

主控制器通过AD输入接口将直线行程传感器采集到的电压信号转化为当前时刻对应喷泵喷嘴角度信息，并与期望的喷嘴角度做差值；

将差值信息转化为下一时刻控制比例阀动作的DA信号输出至比例法，利用比例阀调节液压油的流速和流向，实现喷嘴角度的闭环控制。

具体的，在人工驾驶模式时，驾驶人员向左/右转动方向盘，手动油泵与方向盘同轴转动，常开电磁阀默认打开，液压油经手动油泵、常开电磁阀推动液压缸行程增加/减少，液压缸直线行程转换成喷嘴的角度行程，喷水角度向右/左变化，完成了人工驾驶模式下喷嘴角度的控制流程。从人工驾驶模式向自动驾驶模式切换时，主控制器通过IO控制单刀双掷继电器，将常开电磁阀关闭，将常闭电磁阀打开，完成液压油路的切换；主控制器通过AD采集液压缸的直线行程，转换成喷嘴角度，完成喷嘴角度的采集；主控制器输出喷嘴角度的期望值，与喷嘴角度实际值做对比，生成喷嘴角度的变化方向并转换成比例阀的DA电压值，比例阀依据电压值改变油路方向与通径；液压油经持续工作的电动泵、常闭电磁阀、比例阀、溢流阀推动液压缸，液压缸直线行程转换成喷嘴角度行程，最终改变喷水角度。

Claims (7)

1.一种用于水面无人艇的驾驶控制***，连入水面无人艇的液压缸，以对水面无人艇的喷泵喷嘴进行控制，其特征在于，包括：主控制器、驾驶切换装置、手动驾驶装置以及自动驾驶***；

所述手动驾驶装置和自动驾驶***均与驾驶切换装置连接；

主控制器，用于发送的IO控制信号至驾驶切换装置，同时将接收到的当前时刻自动驾驶***反馈的液压缸的液压杆的直线行程转换为喷嘴角度后，与喷嘴角度的期望值进行比对，并输出下一时刻DA模拟信号的控制量至自动驾驶***；

驾驶切换装置，用于根据主控制器是否发送的IO控制信号，控制自动驾驶***或手动驾驶装置与水面无人艇的液压缸之间的管路形成通路；

所述手动驾驶装置，用于当主控制器未发送IO控制信号至驾驶切换装置，启动手动模式，人为手动对水面无人艇的喷泵喷嘴进行控制；

所述自动驾驶***，用于当主控制器发送IO控制信号至驾驶切换装置，切换为自动模式，并接收主控制器输出的下一时刻DA模拟信号的控制量对水面无人艇的喷泵喷嘴进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种用于水面无人艇的驾驶控制***，其特征在于，所述主控制器，包括：控制芯片以及与其AD输入接口、DA输出接口以及IO输出接口；

所述控制芯片，用于通过IO输出接口发送的IO控制信号至驾驶切换装置，同时通过AD输入接口将接收到的当前时刻自动驾驶***反馈的液压缸的液压杆的直线行程转换为喷嘴角度后，与喷嘴角度的期望值进行比对，并通过DA输出接口输出下一时刻DA模拟信号的控制量至自动驾驶***。

3.根据权利要求1所述的一种用于水面无人艇的驾驶控制***，其特征在于，所述手动驾驶装置为设有方向盘的手动油泵；

手动油泵的输出端经驾驶切换装置与水面无人艇液压缸的输入端连接，通过将液压缸的直线运动转化成喷泵喷嘴的转动，从而实现在人工驾驶模式时对喷泵喷嘴角度的控制。

4.根据权利要求1所述的一种用于水面无人艇的驾驶控制***，其特征在于，所述自动驾驶***，包括：电动油泵、比例阀、溢流阀以及直线行程传感器；

所述溢流阀设于水面无人艇的油箱与液压缸之间的管路上，用于当电动油泵输出的油压力增大时，以使流量需求减小，使多余流量溢回水面无人艇的油箱中；

所述电动油泵依次经比例阀、驾驶切换装置与溢流阀连接；

所述直线行程传感器设于液压缸的液压杆上，且与主控制器的AD输入接口连接，用于将采集到的对应喷泵喷嘴的角度信息转化为直线行程传感器电压信号；

所述比例阀与主控制器的AD输出接口连接，用于接收主控制生成喷嘴角度的变化方向的电压值，并根据电压值改变油路方向通径。

5.根据权利要求1所述的一种用于水面无人艇的驾驶控制***，其特征在于，所述驾驶切换装置为单刀双掷继电器，包括：继电器线圈、一个常开电磁阀和一个常闭电磁阀；

所述常开电磁阀设于手动油泵与液压缸之间的管路上，当继电器线圈接收到主控制器的IO输出接口的驱动信号，继电器线圈不同点。

6.根据权利要求1所述的一种用于水面无人艇的驾驶控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过主控制器选择驾驶模式，当进入人工驾驶模式，驾驶切换装置的常开电磁阀默认开启状态，手动驾驶装置与液压缸之间的管路导通，人工转动方向盘带动手动油泵旋转，液压油通过油管驱动液压缸做直线运动，再通过喷泵机构将液压缸的直线运动转化成喷泵喷嘴的转动，从而实现在人工驾驶模式时对喷泵喷嘴角度的控制，此时无人水面艇艇体的运动方向相应有所变化。

2)主控制器输出IO控制信号至驾驶切换装置，驾驶切换装置切换为自动驾驶模式，自动控制喷泵喷水角度。

7.根据权利要求6所述的一种用于水面无人艇的驾驶控制方法，其特征在于，所述步骤2)，具体为：

主控制器利用IO输出功能，控制单刀双掷继电器动作，将常开电磁阀关闭的同时将常闭电磁阀开启，实现手动油泵和自动油泵的切换；

主控制器通过AD输入接口将直线行程传感器采集到的电压信号转化为当前时刻对应喷泵喷嘴角度信息，并与期望的喷嘴角度做差值；

将差值信息转化为下一时刻控制比例阀动作的DA信号输出至比例法，利用比例阀调节液压油的流速和流向，实现喷嘴角度的闭环控制。