[發明專利]一種適用復雜工況的水下無人艇通信系統

有效

• 申請號: 201910875588.8
• 申請日: 2019-09-17
• 公開（公告）號: CN110658832B
• 公開（公告）日: 2021-04-20
• 發明（設計）人: 秦元慶;宋子文;周純杰;徐國華
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G05D1/06
• 分類號: G05D1/06
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青;李智

1.一種適用復雜工況的水下無人艇通信系統，其特征在于，包括：水面監控子系統和艇載控制子系統；

所述水面監控子系統通過無線電或水聲通信與所述艇載控制子系統進行數據交換；

所述水面監控子系統和所述艇載控制子系統均采用工業交換機組成以太網局域網，并根據所述水下無人艇不同的工作工況，采用不同的主從周期調度方法消除所述工業交換機內部的報文發送沖突、報文丟失時的數據查詢以及水下無人艇故障診斷和應急處理；所述水面監控子系統包括水面主控單元、操控單元、數據存儲顯示單元、水面工業交換機、水面無線電傳輸裝置和母船水聲通信裝置；

所述水面主控單元，用于調度管理所述水面監控子系統，并通過無線電或水聲通信與所述艇載控制子系統進行數據交換；

所述操控單元，用于實時獲取用戶的操控指令并顯示無人艇的航行狀態信息；

所述數據存儲顯示單元，用于存儲和顯示無人艇控制系統運行時的過程數據；

所述水面工業交換機，用于連接所述水面監控子系統的各個單元；

所述水面無線電傳輸裝置和所述母船水聲通信裝置，用于實現各種工況下所述水面主控單元與所述艇載控制子系統之間的數據傳輸；所述艇載控制子系統包括艇載主控單元、艇載從控單元、艇載工業交換機、艇載無線電傳輸裝置和艇載水聲通信裝置；其中，所述艇載從控單元包括導航單元、運動規劃單元、運動控制單元、數據存儲單元和應急單元；

所述艇載主控單元，用于調度管理所述艇載控制子系統，并通過無線電或水聲通信與所述水面主控單元進行數據交換；

所述導航單元，用于實時獲取無人艇的運動狀態；

所述運動規劃單元，在水下無人艇工作于遙控工況下，用于通過所述艇載主控單元接收所述水面主控單元的試驗任務裝訂；在水下無人艇工作于自主工況下，用于根據接收到的試驗任務裝訂和水下無人艇當前的運動狀態，解算出運動控制指令，并通過所述艇載主控單元發送給所述運動控制單元；

所述運動控制單元，用于根據所述艇載主控單元發送的運動控制指令實時控制水下無人艇的運動狀態；

所述數據存儲單元，用于存儲所述艇載控制子系統的運行數據；

所述應急單元，用于根據所述艇載主控單元發送的各艇載從控單元工作狀態數據進行故障診斷，在有故障發生時控制水下無人艇完成緊急上浮，同時通過水聲通信通道向所述水面監控子系統發送水下無人艇的航行狀態信息；

所述艇載工業交換機，用于連接所述艇載控制子系統的各個單元；

所述艇載無線電傳輸裝置和所述艇載水聲通信裝置，用于實現各種工況下所述艇載主控單元與所述水面監控子系統之間的數據傳輸；所述水下無人艇包括三種工作工況：

遙控工況，為水下無人艇上電后的默認工況，由水面監控子系統通過無線電向艇載控制子系統發送控制指令，艇載控制子系統通過無線電或水聲通信向水面監控子系統反饋無人艇運行數據；

自主工況，為艇載控制子系統根據預裝訂試驗任務自主控制水下無人艇運動的工況，通過水聲通信向水面監控子系統反饋無人艇運行關鍵數據；

應急工況，為水下無人艇在自主工況下出現運行故障，需要緊急上浮的工況；

所述水下無人艇在遙控工況下，所述主從周期調度方法具體包括，水面主控單元調度和艇載主控單元調度；

(1)所述水面主控單元運行水面調度定時任務，在每個宏周期的第一個微調度時刻向操控單元發送調度報文，在宏周期的第二個微調度時刻向艇載主控單元發送水面主控單元指令報文，收到艇載主控單元反饋報文后下一個微調度時刻向數據存儲顯示單元發送調度報文；所述宏周期為水面主控單元的循環調度周期，包括多個微調度周期；

(2)所述艇載主控單元運行艇載調度定時器，在收到水面主控單元指令報文后的第一個微調度時刻作為其宏周期的起點，在該宏周期的各個微調度時刻按順序調度所述導航單元、運動控制單元、應急單元、數據存儲單元和水面主控單元，向所述各艇載從控單元發送對應的水面主控單元指令報文，并向所述水面主控單元反饋所述各艇載從控制單元的狀態數據；

(3)所述艇載主控單元管理調度計數器，在收到水面主控單元指令報文后，將所述調度計數器清零，并在后續每個微調度時刻累加計數，當計數值超過設定閾值，艇載主控單元判定水面主控單元指令報文丟失，將調度計數器清零，按順序調度所述導航單元、運動控制單元、應急單元、數據存儲單元和水面主控單元，向各艇載從控單元發送查詢報文，收集、存儲其狀態數據，并向水面主控單元反饋無人艇實時運行數據；

所述水下無人艇在自主工況下，所述主從周期調度方法僅包含艇載主控單元調度；

所述艇載主控單元運行艇載調度定時器，在每個宏周期的各個微調度時刻按順序依次調度所述導航單元、運動控制單元、運動規劃單元、運動控制單元、應急單元、數據存儲單元，并通過水聲通信向水面主控單元反饋無人艇運行數據；

其中，第一次調度運動控制單元，用于獲取無人艇的舵角和推進器轉速信息，并轉交給運動規劃單元，實時解算舵角和推進器的控制指令；第二次調度運動控制單元，向其發送運動規劃單元產生的控制指令。

2.根據權利要求1所述的一種適用復雜工況的水下無人艇通信系統，其特征在于，所述水下無人艇在應急工況下，所述主從周期調度方法具體包括，所述應急單元控制所述艇載主控單元退出調度，同時運行應急調度定時器，在每個宏周期的各個微調度時刻按順序依次調度所述導航單元、運動控制單元、數據存儲單元，控制所述水下無人艇完成緊急上浮，并通過水聲通信向所述水面主控單元反饋無人艇運行數據。