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一种自航式水下航行器模拟装置及其运动控制方法

阅读：709发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种自航式水下航行器模拟装置及其运动控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及水下智能仪器技术领域，特别涉及一种自航式水下航行器模拟装置及其运动控制方法。包括发声模组、电源模组、控制模组、推进器和舵机，并依次电连接；控制模组由主控制板、推进器驱动板、舵机控制板、抛载继电器板组成，主控制板的单片机，其具有1个串口和独立的PWM输出口，PWM 信号输出给推进器驱动板，推进器驱动板的输入有两路信号，一路是PWM信号，一路是高低电平的IO引脚信号；发声模组由压电陶瓷换能器、信号调理模块、发声模组控制器、回发调控模块构成；电源模组由磷酸铁锂电池组、浸水检测装置、中间继电器、电压转换和稳压模块组成，依次连接。本发明的水下航行器模拟装置可供反潜训练人员在模拟真实的作战环境中训练使用。，下面是一种自航式水下航行器模拟装置及其运动控制方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种自航式水下航行器模拟装置，其特征在于：包括发声模组、电源模组、控制模组、推进器和舵机，并依次电连接；
控制模组由主控制板、推进器驱动板、舵机控制板、抛载继电器板组成，主控制板的单片机，其具有1个串口和独立的PWM输出口，可产生PWM 信号，PWM信号输出给推进器驱动板，推进器驱动板的输入有两路信号，一路是PWM信号，一路是高低电平的IO引脚信号，与主控制板的IO引脚连接；IO引脚信号为高电平时，驱动推进器按照给定的PWM占空比速度转动，IO引脚信号为低电平时，推进器停止转动；舵机控制板的单片机，其与主控制板通过232串口进行连接，接收主控制板发送的舵机转角指令，对指令进行解码并生成PWM信号，从而驱动舵机旋转，实现舵机的转角控制；主控制板中安装有主控制程序，通过使用时间延迟子程序，实现对推进器电机转速和舵机转角的预先设定，使推进器电机和舵机按照与预定义的程序进行推进和转角控制，从而实现对装置水下运动轨迹的预先设定，主控制板通过IO信号控制抛载继电器板上继电器的吸合，系统运行20分钟任务完成后，主控制板输出高电平，使继电器板上继电器的常闭触点断开，磁铁断电，电磁铁将吸合的外置的重物抛下，装置将自动上浮。该装置的主控制板控制程序中设置有程序自动擦除功能；抛载后自动将内部程序进行擦除，防止程序为他人所获取；
发声模组由压电陶瓷换能器、信号调理模块、发声模组控制器、回发调控模块构成；压电陶瓷换能器通过设置在发声模组底部，主动发声模块采用压电陶瓷换能器进行发射和接收。接收时，压电陶瓷换能器将声压信号转化为微弱的电信号，接收到的电信号经过信号调理模块，进入发声模组控制器；信号调理模块中的或非门模块与发声模组控制器的中断输入端口连接，其输出信号触发发声模组控制器的外部中断；触发中断后，进入发声模组控制器的中断服务程序；发声模组控制器完成信号调理模块输出信号的校验、解码、判决和回发信号的生成，其控制软件由主控程序和中断服务子程序构成。软件控制流程为：发声模组控制器的主控程序首先进行端口初始化，初始化定时器和外部中断向量寄存器，然后开中断并进入休眠模式，等待外部中断；若发生中断则进入中断服务程序，中断服务程序中完成信号的采样，采样完成后通过发声模组控制器进行采样信号的频率分析，如果是对方发射的探测声纳信号，则通过PWM端口发送一定数量的脉冲，该脉冲信号经过发声模组控制器的定时器2口发出后，经放大和整形、自动增益调节模块进行信号调理和增益调节，并经变压器产生高压信号驱动换能器压电陶瓷，并由压电陶瓷换能器的探头发出振动信号；
电源模组由磷酸铁锂电池组、浸水检测装置、中间继电器、电压转换和稳压模块组成，并依次连接；浸水检测装置包括浸水检测控制器以及浸水检测控制器连接的检测线，检测线为二线制，连接到浸水检测控制器的输入端，控制器根据检测线的电阻大小，通过程序判断检测线的电阻值，如果电阻小于2M欧姆，则判断为检测线浸水；浸水检测控制器为常开型继电器，其输出端串联中间继电器，中间继电器的常开触点串联磷酸铁锂电池组，其连接电压转换和稳压模块，为其他电路板供电，如果浸水装置检测到检测线浸水，则浸水检测控制器延迟10秒钟，等待浸水检测装置在水面漂浮稳定后，使其常开继电器闭合，继而驱动中间继电器吸合，这时中间继电器的常开触点闭合，则电源模块输出电压，否则不输出电压；这里，中间继电器具有控制磷酸铁锂电池组与电压转换和稳压模块连接的通断的功能，电压转换和稳压模块的电压输出为模拟器系统的各个模组提供稳定的电压。
2.根据权利要求1所述的一种自航式水下航行器模拟装置，其特征在于：主控制板芯片为Mega128单片机。
3.根据权利要求1所述的一种自航式水下航行器模拟装置，其特征在于：舵机控制板芯片为Mega64单片机。
4.根据权利要求1所述的一种自航式水下航行器模拟装置，其特征在于：所述磷酸铁锂电池组的型号为24VDC20AH。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的一种自航式水下航行器模拟装置还包含其控制方法，其特征在于：
步骤一、主控制板内的程序通过预先定义的方式，将推进器的转速指令、舵机的转角指令及其生效时刻预先编程下载到自航式水下航行器模拟器的主控制板中，通过主控制板中的控制程序来控制推进器和舵机使装置按照预定程序进行机动；
步骤二、等待装置投入水中后，装置利用浸水检测模块，检测是否入水，如果检测到入水，则等待10秒；
步骤三、待装置的姿态稳定后，控制程序控制浸水检测模块的输出继电器闭合，从而驱动中间继电器的常开触点闭合，接通磷酸铁锂电池组和电源转换与稳压模块，此时电源模组输出24VDC；
步骤四、系统供电后，发声模组和控制模组开始工作，这里浸水检测控制器、抛载模块的继电器板和电磁铁直接与磷酸铁锂电池组连接，不受进水检测模块的控制，发声模组的控制板采集压电陶瓷换能器的输出信号，对采集到的声信号进行频率分析，如果采集的声信号为探测声纳信号，则发声模组控制器通过压电陶瓷换能器，发送一串模拟某潜艇声学特性的脉冲信号，如果采集的信号不是探测声纳信号，则不进行脉冲生成发射，控制板继续循环采集声信号，控制模组主要负责按照预定义的运动模式，实现推进器电机的转速控制和舵机的转角控制；
步骤五、为实现模拟器的下潜运动，控制模组开始工作后，舵机控制器控制舵机逆时针旋转到+45°，同时主控制板输出调制后的第一组PWM信号，控制推进器低速旋转，延迟2秒；
步骤六、舵机控制器控制舵机逆时针旋转到0°，此时舵角归零，主控制板输出调制后的第二组PWM信号，控制推进器高速旋转，装置进行下潜运动，下潜运动持续100秒；
步骤七、舵机控制器控制舵机逆时针旋转到-30°，同时主控制板输出调制后的第一组PWM信号，控制推进器低速旋转，使装置下潜到预定深度后，再延迟2秒；
步骤八、舵机控制器控制舵机逆时针旋转到0°，此时舵角归零，同时主控制板输出调制后的第二组PWM信号，装置进行水平面高速运动，水平面高速运动持续1100秒；
步骤九、训练任务完成后，主控制板控制抛载机构的抛载继电器板，实现对电磁铁的断电，继而进行重物抛载；之后，将主控制板中的程序自动擦除，装置上浮到水面后等待人工回收。

说明书全文

一种自航式水下航行器模拟装置及其运动控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及水下智能仪器技术领域，特别涉及一种自航式水下航行器模拟装置及其运动控制方法。

背景技术

[0002] 自航式航行器模拟装置及其载体属于水下航行器的一种，但由于其特殊功能性和应用领域，导致其内部结构设计、配置和控制方法也完全不同，结合目前国内外公开的专利分析可见，尚未有相关专利和技术标准对该技术领域进行全面分析和描述。洛克希德·马丁公司的产品MK39 EMATT反潜训练靶，是一种用于在海洋水域反潜作战的海军力量训练消耗的水下航行器，其长度是大约三到五英尺，直径约五英寸之间，可现场编程，其现场编程的系统包括一个运行的几何发生器和一个便携式接口模块等，通过操作程序实现控制。

发明内容

[0003] 为解决背景技术中提到的当前反潜训练中缺乏一种能模拟真实作战环境的自航式模拟训练装置，本发明展示了一种自航式水下航行器模拟装置及其运动控制方法。

[0004] 为实现上述目的，现提供技术方案如下：

[0005] 一种自航式水下航行器模拟装置，包括发声模组、电源模组、控制模组、推进器和舵机，并依次电连接；

[0006] 控制模组由主控制板、推进器驱动板、舵机控制板、抛载继电器板组成，主控制板的单片机，其具有1个串口和独立的PWM输出口，可产生PWM 信号，PWM信号输出给推进器驱动板，推进器驱动板的输入有两路信号，一路是PWM信号，一路是高低电平的IO引脚信号，与主控制板的IO引脚连接；IO引脚信号为高电平时，驱动推进器按照给定的PWM占空比速度转动，IO引脚信号为低电平时，推进器停止转动；舵机控制板的单片机，其与主控制板通过232串口进行连接，接收主控制板发送的舵机转角指令，对指令进行解码并生成PWM信号，从而驱动舵机旋转，实现舵机的转角控制；主控制板中安装有主控制程序，采用预定义的程控模式对模拟装置进行运动控制，通过使用时间延迟子程序，实现对推进器电机转速和舵机转角的预先设定和控制，使推进器电机和舵机按照预定义的程序流程进行推进和转角控制，实现了对模拟装置水下运动轨迹的预先设定。主控制板通过IO信号控制抛载继电器板上继电器的吸合或断开。系统运行20分钟任务完成后，主控制板输出高电平，使抛载继电器板上继电器的常闭触点断开，此时电磁铁断电，电磁铁将吸合的外置的重物抛下，此时由于浮力大于重力，模拟装置将在浮力的作用下上浮到水面。该装置的主控制板控制程序中设置有程序自动擦除功能，抛载后控制程序将内部程序进行擦除，防止控制程序为他人所获取。

[0007] 发声模组由压电陶瓷换能器、信号调理模块、发声模组控制器、回发调控模块构成。压电陶瓷换能器通过螺纹安装在发声模组底部，实现声信号的接收和发射，压电陶瓷换能器将声压信号转化为微弱的电信号，输入到信号调理模块。信号调理模块将接收到的电信号进行信号的滤波和调理，输出到发声模组控制器；信号调理模块中的或非门模块与发声模组控制器的中断输入端口连接，其输出信号触发发声模组控制器的外部中断，触发中断后，进入发声模组控制器的中断服务程序。发声模组控制器完成信号调理模块输出信号的校验、解码、判决和回发脉冲信号的生成。发声模组控制器的控制软件由主控程序和中断服务子程序构成，其程控流程为：发声模组控制器的主控程序首先进行主控芯片端口寄存器的初始化设置，初始化定时器和外部中断向量寄存器，然后开中断并进入休眠模式，等待外部中断；若发生中断则进入中断服务程序，中断服务程序中完成信号的采样，采样完成后进行采样信号的频率分析，如果是对方发射的探测声纳信号，则通过主控芯片的PWM端口发送一定数量的脉冲，该脉冲信号经过发声模组控制器的定时器2口发出后，经放大和整形、自动增益调节模块进行信号调理和增益调节，并经升压变压器产生高压信号驱动换能器压电陶瓷，发出振动声信号；

[0008] 电源模组由磷酸铁锂电池组、浸水检测装置、中间继电器、电压转换和稳压模块组成，依次连接；浸水检测装置包括浸水检测控制器以及浸水检测控制器连接的检测线。检测线为二线制，连接到浸水检测控制器的输入端，控制器根据检测线的电阻大小，通过程序判断检测线的电阻值，如果电阻小于2M欧姆，则判断为检测线已经浸入水中。浸水检测控制器为常开型继电器，其输出端串联一个中间继电器，中间继电器的常开触点串联磷酸铁锂电池组，其连接电压转换和稳压模块，为系统发声模组和控制模组供电。具体流程为：如果浸水装置检测到检测线浸水中，则浸水检测控制器延迟10秒钟，等待模拟器装置在水面漂浮稳定后，使浸水检测控制器的常开继电器闭合，继而驱动中间继电器的常开触点闭合，此时则电源模组输出电压，否则不输出电压。中间继电器的功能是控制磷酸铁锂电池组与电压转换和稳压模块连接的通断，而电压转换和稳压模块根据为模拟装置的其他相关模组提供稳定的电压。

[0009] 进一步的，主控制板芯片为Mega128单片机。

[0010] 进一步的，舵机控制板芯片为Mega64单片机。

[0011] 进一步的，所述磷酸铁锂电池组的型号为24VDC20AH。

[0012] 进一步的，一种自航式水下航行器模拟装置的控制方法包括，步骤一、主控制板内的程序通过预先定义的方式，将推进器的转速指令、舵机的转角指令及其生效时刻预先编程下载到自航式水下航行器模拟器的主控制板中，通过主控制板中的控制程序来控制推进器和舵机使装置按照预定程序进行机动；

[0013] 步骤二、等待装置投入水中后，装置利用浸水检测模块，检测是否入水，如果检测到入水，则等待10秒；

[0014] 步骤三、待装置的姿态稳定后，控制程序控制浸水检测模块的输出继电器闭合，从而驱动中间继电器的常开触点闭合，接通磷酸铁锂电池组和电源转换与稳压模块，此时电源模组输出24VDC；

[0015] 步骤四、系统供电后，发声模组和控制模组开始工作，这里浸水检测控制器、抛载模块的继电器板和电磁铁直接与磷酸铁锂电池组连接，不受进水检测模块的控制，发声模组的控制板采集压电陶瓷换能器的输出信号，对采集到的声信号进行频率分析，如果采集的声信号为探测声纳信号，则发声模组控制器通过压电陶瓷换能器，发送一串模拟某潜艇声学特性的脉冲信号，如果采集的信号不是探测声纳信号，则不进行脉冲生成发射，控制板继续循环采集声信号，控制模组主要负责按照预定义的运动模式，实现推进器电机的转速控制和舵机的转角控制；

[0016] 步骤五、为实现模拟器的下潜运动，控制模组开始工作后，舵机控制器控制舵机逆时针旋转到+45°，同时主控制板输出调制后的第一组PWM信号，控制推进器低速旋转，延迟2秒；

[0017] 步骤六、舵机控制器控制舵机逆时针旋转到0°，此时舵角归零，主控制板输出调制后的第二组PWM信号，控制推进器高速旋转，装置进行下潜运动，下潜运动持续100秒；

[0018] 步骤七、舵机控制器控制舵机逆时针旋转到-30°，同时主控制板输出调制后的第一组PWM信号，控制推进器低速旋转，使装置下潜到预定深度后，再延迟2秒；

[0019] 步骤八、舵机控制器控制舵机逆时针旋转到0°，此时舵角归零，同时主控制板输出调制后的第二组PWM信号，装置进行水平面高速运动，水平面高速运动持续1100秒；

[0020] 步骤九、训练任务完成后，主控制板控制抛载机构的抛载继电器板，实现对电磁铁的断电，继而进行重物抛载；之后，将主控制板中的程序自动擦除，装置上浮到水面后等待人工回收。本发明的有益效果：

[0021] 本发明设计的一种自航式水下航行器模拟装置及其运动控制方法，在反潜训练装置可供反潜训练人员在模拟真实的作战环境中训练使用，单台装置造价较低，投入使用可以节省使用真实潜艇所产生的大量训练经费开支，避免造成人员伤亡，同时也将有效解决反潜训练水下“无靶可打”的难题。附图说明

[0022] 图1为一种自航式水下航行器模拟装置的各个模组连接框图；

[0023] 图2为一种自航式水下航行器模拟装置的电源模组连接框图；

[0024] 图3为一种自航式水下航行器模拟装置的发声模组连接框图；

[0025] 图4为一种自航式水下航行器模拟装置的控制模组连接框图；

[0026] 图5为一种自航式水下航行器模拟装置的工作流程图。

具体实施方式

[0027] 为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明技术方案，下面结合附图对本发明技术方案进行详细描述，但本发明的实施方式不限于此。

[0028] 如图1-5，一种自航式水下航行器模拟装置及其运动控制方法，该装置外形为鱼雷形状，外壳为PVC材质，内部包括控制模组、发声模组、电源模组、推进器和舵机，依次连接。电源模组通过浸水模块的设置，控制装置其他模组的供电和断电；发声模组通过模拟某型潜艇的回声特性，发射一组脉冲串，实现对某潜艇声学特性的模拟；控制模组控制推进器和舵机的转动，并通过预设程序控制装置的水下运动轨迹和运动姿态。

[0029] 控制模组由主控制板、推进器驱动板、舵机控制板、抛载继电器板组成。主控制板芯片为Mega128单片机，其具有1个串口和独立的PWM输出口，可产生PWM信号，PWM信号输出给推进器驱动板，推进器驱动板的输入有两路信号，一路是PWM信号，一路是高低电平的IO引脚信号，与主控制板的IO引脚连接；IO引脚信号为高电平时，驱动推进器按照给定的PWM占空比速度转动，IO引脚信号为低电平时，推进器停止转动。舵机控制板芯片为Mega64单片机，其与主控制板通过232串口进行连接，接收主控制板发送的舵机转角指令，对指令进行解码并生成PWM信号，从而驱动舵机旋转，实现舵机的转角控制。主控制板中安装有主控制程序，通过使用时间延迟子程序，实现对推进器电机转速大小和舵机转角的预先设定，使推进器电机和舵机按照预定义的程序进行推进和转角控制，从而实现对装置水下运动轨迹和运动姿态的控制。主控制板通过IO信号控制抛载继电器板上继电器的吸合；系统运行20分钟，待任务完成后，主控制板通过IO口输出高电平，使抛载继电器板上继电器的常闭触点断开，此时电磁铁断电，电磁铁将吸合的外置的重物抛下，模拟装置将在浮力的作用下上浮。同时该装置的主控制板控制程序中设置有程序自动擦除功能，抛载后自动将内部程序进行擦除，防止程序为他人所获取。

[0030] 发声模组由压电陶瓷换能器、信号调理模块、发声模组控制器、回发调控模块构成。压电陶瓷换能器通过螺纹安装在自航式水下航行器模拟装置底部，采用压电陶瓷换能器进行声信号的接收和发射，将声信号转化为微弱的电信号，采集到的微弱电信号经过信号调理模块后，进入发声模组控制器。发声模组控制器完成调理后信号的校验、解码、判决和回发信号的生成，其中信号调理模组中的或非门模块与发声模组控制器的中断输入端口连接，其输出信号触发发声模组控制器的外部中断；触发中断后，进入发声模组控制器的中断服务程序。发声模组控制器的控制软件由主控程序和中断服务子程序构成。程序控制流程为：发声模组控制器的主程序首先进行主控芯片的端口初始化，初始化定时器和外部中断向量寄存器，然后开中断并进入休眠模式，等待外部中断。若发生中断则进入中断服务程序，中断服务程序中完成信号的采样，采样完成后通过发声模组控制器进行采样信号的频率分析，如果是对方发射的探测声纳信号，则通过PWM端口发送一组脉冲，该脉冲信号经过发声模组控制器主控芯片的定时器2口发出后，经放大和整形、自动增益调节模块进行信号调理和增益调节，并经变压器产生高压信号驱动换能器压电陶瓷，并由压电陶瓷探头发出振动声信号。

[0031] 电源模组由磷酸铁锂电池组、浸水检测装置、中间继电器、电压转换和稳压模块组成，依次连接。浸水监测模块监测该装置是否入水。检测到已经入水，浸水控制器延迟10秒，等待模拟装置的姿态较稳定后，控制常开继电器闭合，此时系统电源输出24VDC，为控制模组和发声模组供电。

[0032] 根据系统的功耗情况，确定磷酸铁锂电池组的型号为24VDC20AH。通过安装在模拟装置壳体外侧底部凹槽内的浸水检测线，检测该模拟装置是否入水，并通过浸水检测装置连接的中间继电器控制电源模组供电的通断，其中浸水检测模块由磷酸铁锂电池组直接供电。该装置包括浸水控制器以及控制器连接的检测线。检测线为二线制，连接到浸水检测控制器的输入端，控制器根据检测线的电阻，通过程序判断检测线的电阻值，如果电阻小于2M欧姆，则判断为检测线已经浸水。浸水检测控制器为常开型继电器，其输出端串联中间继电器，中间继电器的常开触点串联磷酸铁锂电池组，其连接电压转换和稳压模块，为其他模组供电。如果浸水检测器检测到检测线浸水中，则浸水检测控制器控制程序延迟10秒，等待装置在水面漂浮稳定后，使其常开继电器闭合，继而驱动中间继电器吸合，此时中间继电器的常开触点闭合，则电源模组输出24VDC电压；否则不输出电压。中间继电器的功能是控制磷酸铁锂电池组和电压转换和稳压模块连接的通断，电压转换和稳压模块则为模拟装置的各个模组提供稳定的电压。

[0033] 工作过程为，步骤一、控制模组的主控制板内的程序通过预先定义的方式，将推进器的转速指令、舵机的转角指令及其生效时刻预先编程下载到装置的主控制板中，以控制推进器和舵机使装置按照预定程序进行机动；

[0034] 步骤二、等待装置投入水中后，装置利用浸水检测模块，检测是否入水，如果检测到入水，则延迟10秒；

[0035] 步骤三、待装置的姿态稳定后将浸水检测模块的输出继电器闭合，从而中间继电器的常开触点闭合，接通电池组电源与稳压模块，则电源模组输出稳定的24VDC；

[0036] 步骤四、发声模组和控制模组开始工作，这里浸水检测控制器、抛载模块的继电器板和电磁铁直接与磷酸铁锂电池组连接，不受进水检测模块的控制。发声模组的控制板采集压电陶瓷的信号，对探测的声信号进行频率分析，如果采集的信号为探测声纳信号，则控制器将通过压电陶瓷换能器，发送一串模拟某潜艇声学特性的脉冲信号，如果采集的信号不是探测声纳信号，则不进行信号的回发，控制板继续循环采集声信号。

[0037] 步骤五、控制模组主要负责推进器电机转速和舵机转角的控制。控制模组开始工作后，舵机控制器控制舵机逆时针旋转到+45度，同时主控制板输出第一组PWM信号，控制推进器低速旋转，延迟2秒；

[0038] 步骤六、舵机控制器控制舵机逆时针旋转到0度，主控制板输出第二组PWM信号，控制推进器高速旋转，装置进行下潜，延迟100秒后；

[0039] 步骤七、舵机控制器控制舵机逆时针旋转到-30度，同时主控制板输出第一组PWM信号，推进器驱动板控制推进器低速旋转，装置下潜到预定深度，再延迟2秒；

[0040] 步骤八、舵机控制器控制舵机逆时针旋转到0度，同时舵机控制器控制舵机逆时针旋转到0度，主控制板输出第二组PWM信号，装置进行水平面高速运动，延迟1100秒后；

[0041] 步骤九、训练任务完成后，主控制板控制抛载机构的电磁铁断电，进行重物抛载之后，将主控制板程序自动擦除，装置上浮后等待回收。

[0042] 以上所述，仅是本发明的最佳实施例而已，并非对本发明的任何形式的限制，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下利用上述揭示的方法和内容对本发明做出的许多可能的变动和修饰，均属于权利要求书保护的范围。

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一种自航式水下航行器模拟装置及其运动控制方法

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