[发明专利]一种流体驱动双航态海洋无人航行器的控制系统及方法

权利要求书

1.一种流体驱动双航态海洋无人航行器的控制方法，基于流体驱动双航态海洋无人航行器的控制系统，所述控制系统包括液压控制器、风帆控制器、切换控制器、应急控制器和导航通讯控制器，各控制器由中央控制盒进行统一控制及管理；所述中央控制盒在物理上划分为CPU板和POW板两个模块；所述中央控制盒由24V DC外部电池供电，供电线经舱壁开关接入POW板，POW板通过内部设置的DC-DC变压模块进行电压变换得到有12V DC和6V DC，6V DC用于为外部备用设备供电；12V DC用于为执行器和传感器供电；控制系统通过若干个I/O端口控制24V固态继电器为24V DC执行器供电；

所述CPU板上布置有嵌入式微处理器、数字电路和模拟电路，所述CPU板通过DC-DC变压模块将POW板的6V DC变换得到3.3V DC为数字电路供电；CPU板通过DC-DC变压模块将POW板的6V DC变换得到5V DC为CPU板内集成的传感器及模拟电路供电；CPU板通过流保护模块和DC-DC变压模块输出5V DC为外部5V DC传感器供电；所述风帆控制器由2路RS232串口分别接收风向传感器、风速传感器的采集信息，通过模拟量A/D采样接口接收转帆角度传感器测量信息；风帆控制器通过I/O端口实施转帆角调控电机的转动控制；所述切换控制器通过2路数字通讯接口分别检测上部水位探头与下部水位探头反馈的电平值变化，通过两个I/O端口分别对进水水泵与排水水泵进行通断控制；其特征在于，包括以下内容：

当航行器处于水下航行模式，通过控制系统的液压控制器调节航行器自身浮力，通过导航通讯控制器调节航行姿态，利用运动迎面水流施加的水动力实现升沉运动与水平行进，以锯齿形轨迹在水下滑翔航行；

当航行器处于航行切换模式，通过控制系统的液压控制器完成风帆、翼龙骨的位姿变换，通过切换控制器调节航行器储备浮力量，满足水面、水下两种航行模式对航行器浮性的要求；所述航行切换模式包括航行器由水下向水面切换模式和航行器由水面向水下切换模式；

当航行器处于水面航行模式，通过控制系统的风帆控制器调控风帆始终处于最佳转帆角位置，最大效率地利用海洋风施加的气动力驱动航行器在水面航行；

水下航行模式下具体包括以下步骤：

步骤A1：岸站发送的水下航行模式任务指令由航行器的导航通讯控制器接收后，航行器控制系统激活液压控制器进入回油阶段，所述液压控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口对液压泵及回油阀上电，回油阀打开、液压泵启动将油液由外油囊吸入内油箱，液位计通过模拟信号将内部油箱内油量实时反馈至液压控制器，当内油箱油量达到回油设定值后液压控制器关闭回油阀、液压泵，此时航行器自身重力大于所受浮力并开始下潜，回油阶段结束；

步骤A2：控制系统激活导航通讯控制器进入下潜滑翔阶段，导航通讯控制器通过电子罗盘获得航行器俯仰角β与航向角α，若测得航行俯仰角β与目标俯仰角β^’偏差超过10°，则导航通讯控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口对俯仰姿态调控电机上电，开启俯仰姿态调控电机通过移动俯仰调节重块位置以改变航行器俯仰角度，若俯仰角与设定角度偏差小于5°，则关闭俯仰姿态调控电机；姿态调节期间，俯仰调控位移传感器通过模拟信号将调节重块位置反馈回导航通讯控制器，实现俯仰姿态调控电机的半闭环控制；若测得航行器航向与设定航向偏差超过10°，则导航通讯控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口对尾舵上电，开启舵机通过改变方向舵角度以利用水流施加的水动侧向力改变航向，若航行器航向与设定航向偏差小于5°，则导航通讯控制器控制舵机回归零位并关闭舵机；下潜滑翔阶段中，深度计测量当前水下深度值并通过模拟信号通道反馈至导航通讯控制器，当深度到达设定下潜深度时下潜滑翔阶段结束；

步骤A3：控制系统激活液压控制器进入排油阶段，经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口对液压泵及排油阀上电，排油阀打开、液压泵启动将油液由内油箱推入外油囊，液位计通过模拟信号将内部油箱内油量实时反馈至液压控制器，当内油箱油量达到排油设定值后液压控制器关闭排油阀、液压泵，此时航行器所受浮力大于自身重力并开始上浮，排油阶段结束；

步骤A4：控制系统激活导航通讯控制器进入上浮滑翔阶段，导航通讯控制器通过罗盘获得航行器当前姿态与航向信息，若测得俯仰角与设定角度偏差超过10°，则导航通讯控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口对俯仰姿态调控电机上电，开启俯仰姿态调控电机通过移动俯仰调节重块位置以改变航行器俯仰角度，若俯仰角与设定角度偏差小于5°，则关闭俯仰姿态调控电机；姿态调节期间，俯仰调控位移传感器通过模拟信号将调节重块位置反馈回导航通讯控制器，实现俯仰姿态调控电机的半闭环控制；若测得航行器航向与设定航向偏差超过10°，则导航通讯控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口对尾舵上电，开启舵机通过改变方向舵角度以利用水流施加的水动侧向力改变航向，若航行器航向与设定航向偏差小于5°，则导航通讯控制器控制舵机回归零位并关闭舵机；上浮滑翔阶段中，深度计测量当前深度信息并通过模拟信号反馈至导航通讯控制器，当判定航行器上浮至水面后上浮滑翔阶段结束；

步骤A5：控制系统激活导航通讯控制器进入水面通讯阶段，导航通讯控制器经I/O端口导通24V固态继电器，通过I/O端口分别对无线通讯模块和卫星通讯模块上电，与岸站建立数据通信链路；导航通讯控制器通过RS232串口，将航行器GPS位置信息、航行器状态数据经由无线通讯模块或卫星通讯模块回转至岸站，并接收岸站发送的任务指令。