一种水下机器人能源管理控制系统及控制方法 |
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| 申请号 | CN201710053273.6 | 申请日 | 2017-01-22 | 公开(公告)号 | CN107340477A | 公开(公告)日 | 2017-11-10 |
| 申请人 | 中电科海洋信息技术研究院有限公司; 中电科海洋信息技术(北京)有限公司; | 发明人 | 梁新; 王成才; 何宇帆; 李申堂; 戴磊; 肖琳; 张克雷; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种 水 下 机器人 能源 管理控制系统及控制方法，所述水下机器人能源管理控制系统包括：通信模 块 、检测模块、能源 控制器 、 短路 控制器、输出 端子 、 蓄 电池 组。本发明密封腔体能最大程度隔离本系统内部电源、控制 电路 与外部 水体 环境，减小水体环境对模块内部的干扰；可通过无线wifi与地面站环境实时交换数据，可根据实际工作环境对内部电源输出进行实时控制，可通过在地面站运行优化 算法 对能源进行最优利用；检测到外部电路发生短路故障并由短路器控制外接 电极 与系统内部断开以达到物理隔离的目的，杜绝了内部电源因短路而损坏或者爆炸。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种水下机器人能源管理控制系统，其特征在于，所述水下机器人能源管理控制系统包括： |
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| 说明书全文 | 一种水下机器人能源管理控制系统及控制方法技术领域背景技术[0002] 目前水下电源管理系统实现方案多为直接控制模式，即通过控制电路直接控制电源的开关，并且不能实时回传电源管理数据对能源系统进行监控。另一种实现方案适用于近距离的水下能源系统的检测与控制，即通过防水线缆实现数据发送与回传。现有技术方案在能源管理系统中使用固化在控制器中的程序进行控制，但是水下能源系统工作环境复杂，环境约束条件较大，不能针对系统运行状态对系统进行现场检测与控制，当机器人在水下运行出现故障时，地面工作人员难以及时发现故障并做出应急处理。同时当出现故障时，由于系统缺乏应急处理机制，难以保证设备继续稳定工作。通过线缆连接的能源管理系统会限制水下机器人等水下设备的运动状态以及运动范围，不适用于野外开阔环境，线缆长度有限，而水下设备的活动范围即为水下设备的运动范围，同时水下电缆容易受到水下障碍物的破环，一旦出现突发情况水下设备将完全失控现有技术方案难以实现对水下电源系统的水密性。在水下设备电源短路时不能实现能源系统与前端设备的物理隔离。如能源系统电源短路时可能会造成内部电池的短路爆炸，对整个设备造成不可逆转的损失。 [0003] 综上所述，目前水下电源管理系统存在不能实时回传电源管理数据对能源系统进行监控，不能针对系统运行状态对系统进行现场检测与控制，不适用于野外开阔环境，能源系统电源短路时可能会造成内部电池的短路爆炸，对整个设备造成不可逆转的损失。 发明内容[0004] 本发明的目的在于提供一种水下机器人能源管理控制系统及控制方法，旨在解决目前水下电源管理系统存在不能实时回传电源管理数据对能源系统进行监控，不能针对系统运行状态对系统进行现场检测与控制，不适用于野外开阔环境，能源系统电源短路时可能会造成内部电池的短路爆炸，对整个设备造成不可逆转的损失的问题。 [0005] 本发明是这样实现的，一种水下机器人能源管理控制系统，所述水下机器人能源管理控制系统包括： [0006] 通信模块，与检测模块、能源控制器和短路控制器均挂载在同一条IIC总线上，用于定时将能源系统工作参数上发至地面工作站并实时接收来自地面站的控制参数； [0008] 能源控制器，用于通过读取检测模块处理后的参数并结合通信模块接收的地面站的参数对整个能源系统进行控制； [0009] 短路控制器，用于实时获取检测模块反馈的电源参数并通过通信模块与地面站进行数据交互并计算短路器控制参数，通过I/O控制方式对短路控制器进行控制，达到控制电源输出状态以及短路保护的实现； [0012] 进一步，所述通信模块、检测模块、能源控制器、短路控制器、输出端子、蓄电池组之间通过IIC通信。 [0013] 进一步，所述通信模块、检测模块、能源控制器、短路控制器、输出端子、蓄电池组之间通过线缆或水下声呐通信。 [0014] 进一步，所述通信模块、检测模块、能源控制器、短路控制器、输出端子和蓄电池组封装在封闭式腔体内。 [0015] 进一步，所述检测模块还包括串联在电能传输线路中的电流采集IC，其电流采样值采样范围为0～30A，并通过SPI总线向检测模块主控IC回传采集的电压数据，电流IC工作原理同理；检测模块的主控IC为STM32，对采集的参数做初期的处理、封装，并对蓄电池组做第一级的故障判断；同时监测模块主控IC与能源控制器通过IIC总线相连，并实时反馈采集参数。 [0016] 进一步，所述通信模块内部主控STM32与wifi控制器通过SPI总线相连接进行数据交互：地面站参数发送至ESP2833再由经SPI总线传入STM32，内部主控再通过IIC数据总线将参数发送至能源控制器。 [0017] 本发明的另一目的在于提供一种安装有所述水下机器人能源管理控制系统的水下机器人。 [0018] 本发明提供的水下机器人能源管理控制系统及控制方法，适用于水下环境，整个系统由密封的腔体封装，只有通信天线、输出电极与腔体外部相连，减少了外部环境变化对系统内部的影响；通过无线传输于地面站系统实时完成数据交换，可检测系统内部电源工作参数，同时接收地面站控制参数并控制本系统对外输出能源；在水中遇外部电路工作短路时，内部控制电路检测电流信号并由短路控制电路控制外接电极与内部电路断开实现物理隔离，可防止内部电路短路以及电源短路出现过放或爆炸。 [0019] 本发明密封腔体能最大程度隔离本系统内部电源、控制电路与外部水体环境，减小水体环境对模块内部的干扰；可通过无线wifi与地面站环境实时交换数据，可根据实际工作环境对内部电源输出进行实时控制，可通过在地面站运行优化算法对能源进行最优利用；检测到外部电路发生短路故障并由短路器控制外接电极与系统内部断开以达到物理隔离的目的，杜绝了内部电源因短路而损坏或者爆炸。 [0020] 本发明的小型水下机器人的电源系统的保护及实时监测与控制，可为水下工作的电气设备提供电源短路保护，同时也可实时监测水下能源系统重要数据如：实时温度、实时电压、实时电流、实时功率等参数，并依靠wifi无线网络回传至地面站。可通过控制器对监测数据的实时处理以完成对能源系统的高效控制及在故障时对能源系统迅速做出响应，同时亦可结合实际故障情况对能源系统做出远程处理，如在能源输出端口短路时控制内部电路短路以达到保护能源系统的目的。附图说明 [0021] 图1是本发明实施例提供的水下机器人能源管理控制系统结构示意图； [0022] 图2是本发明实施例提供的能源控制系统工作过程中数据流向示意图。 [0023] 图3是本发明实施例提供的检测模块工作原理图。 [0024] 图4是本发明实施例提供的通信模块工作原理图。 [0025] 图5是本发明实施例提供的短路控制器工作示意图。 [0026] 图中：1、通信模块；2、检测模块；3、能源控制器；4、短路控制器；5、输出端子；6、蓄电池组。 具体实施方式[0027] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 [0028] 下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。 [0029] 如图1所示，本发明实施例提供的水下机器人能源管理控制系统包括：通信模块1、检测模块2、能源控制器3、断路控制器4、输出端子5、蓄电池组6。 [0030] 通信模块1，与检测模块2、能源控制器3和短路控制器4均挂载在同一条IIC总线上，在工作过程中定时将能源系统工作参数上发至地面工作站并实时接收来自地面站的控制参数。 [0031] 检测模块2，在工作过程中实时采集蓄电池组工作状态信息包括：实时温度、实时电压、实时电流、实时功率参数并将上述参数做初期的处理、封装，并对蓄电池组做第一级的故障判断。 [0032] 能源控制器3，在工作过程则通过读取检测模块2处理后的参数并结合通信模块1接收的地面站的参数对整个能源系统进行控制；整个系统内部通信使用IIC通信的方式进行，保障数据通信的实时性、可靠性。 [0033] 短路控制器4，用于实时获取检测模块2反馈的电源参数并通过通信模块1与地面站进行数据交互并计算短路器控制参数，最后通过I/O控制方式对短路控制器4进行控制，从而达到控制电源输出状态以及短路保护的实现。 [0034] 输出端子5，用于与外部发生信息及能量的交换。 [0035] 蓄电池组6，用于为系统提供工作所需电能同时也保证整个能源控制系统的对外电力输出。 [0037] 下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。 [0038] 如图1所示，本发明实施例提供的水下机器人能源管理控制系统为一封闭式腔体，外部接口为防水接线端子及无线wifi通信防水天线；内部电源、外围控制电路及断路控制部件均通过外壳封闭式腔体与水体进行物理隔离，腔体与外界的唯一接口为外接通信天线及输出端子。通信天线与外接输出端子均使用静密封加垫片的方式与外界隔离。本能源管理系统在正常运行状态下只通过通信天线及输出端子于外部发生信息及能量的交换，最大程度上实现了内部系统与外部环境的隔离，提高了本系统对外部环境的抗干扰能力。 [0039] 本发明提供的能源控制系统工作过程中数据流向如图2所示，蓄电池组为系统提供工作所需电能同时也保证整个能源控制系统的对外电力输出。检测模块在工作过程中实时采集蓄电池组工作状态信息包括：实时温度、实时电压、实时电流、实时功率参数并将上述参数做初期的处理、封装，并对蓄电池组做第一级的故障判断。通信模块在工作过程中定时将能源系统工作参数上发至地面工作站并实时接收来自地面站的控制参数，能源控制器在工作过程则通过读取检测模块处理后的参数并结合通信模块接收的地面站的参数对整个能源系统进行控制。整个系统内部通信使用IIC通信的方式进行，保障数据通信的实时性、可靠性。 [0040] 如图3所示为检测模块，于该模块配合工作的还包括串联在电能传输线路中的电流采集IC，其电流采样值采样范围为0-30A，并通过SPI总线向检测模块主控IC回传采集的电压数据，电流IC工作原理同理。检测模块的主控IC为STM32，对采集的参数做初期的处理、封装，并对蓄电池组做第一级的故障判断。同时监测模块主控IC与能源控制器通过IIC总线相连，并实时反馈采集参数。 [0041] 如图4所示为通信模块，模块内部主控STM32与wifi控制器通过SPI总线相连接进行数据交互：地面站参数发送至ESP2833再由经SPI总线传入STM32，模块内部主控再通过IIC数据总线将参数发送至能源控制器模块。 [0042] 如图5所示为能源控制器模块能源控制模块为一独立单片机STM32其挂载于系统IIC总线上，其主要功能为实时获取检测模块反馈的电源参数并通过通信模块与地面站进行数据交互并计算短路器控制参数，最后通过I/O控制方式对短路控制器进行控制，从而达到控制电源输出状态以及短路保护的实现。 [0043] 本发明提供的能源系统适用于水下环境，整个系统由密封的腔体封装，只有通信天线、输出电极与腔体外部相连，减少了外部环境变化对系统内部的影响；能通过无线传输于地面站系统实时完成数据交换，可检测系统内部电源工作参数，同时接收地面站控制参数并控制本系统对外输出能源；在水中遇外部电路工作短路时，内部控制电路检测电流信号并由短路控制电路控制外接电极与内部电路断开实现物理隔离，可防止内部电路短路以及电源短路出现过放或爆炸。 [0044] 本发明中使用的无线wifi通信方式可以替换为线缆通信、水下声呐通信等方式。但线缆通信方式会对水下设备运动方式以及运动范围极大地限制，声纳通信的方式消耗能量巨大，并且声纳设备体积较大，不便于本能源管理系统小型化。 [0045] 以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。 |
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