基于嵌入式PC的AUV水下接驳站中央控制系统设计与研究

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海底观测网络系统作为一种长期、实时、连续的监测海洋环境的科学技术在我国得到了越来越多的重视和发展。海底观测网络系统可以为水下设备提供源源不断的电源供给,并将监测信息实时传输至岸基,实现海洋环境实时、连续的监测。然而海底观测网络对海洋环境的监测是静态,因此监测范围是有限的。水下自主航行器(Automatic Underwater Vehicle,AUV)由于其灵活的机动性,可以自主地航行于水下,进行作业,能够实现海洋动态监测。但AUV是电力驱动的,电池续航是有限的,因此其作业范围非常有限。将海底观测网络与水下自主航行器结合起来,达到动静结合,能够实现海洋剖面与海底的立体观测。本文基于国家高技术研究发展计划(863计划)项目“深海移动平台与海底观测网非接触接驳技术”,研究了一种基于嵌入式PC的AUV水下接驳站中央控制系统,以实现接驳站与AUV无线通信、远程监测、电能传输控制和回坞导航控制等功能,保障接驳系统成功对接,完成非接触电能传输和非接触信号传输对接任务。选择BECHKOFF公司的CX5020嵌入式PC作为下位机系统的控制核心,实现接驳站与AUV远距离和近距离的无线通信。采集接驳站与AUV内部环境变量,包括非接触电能传输系统(ICPT)初级和次级电压电流、接驳站和AUV腔内温度、湿度、漏水等参数。采集接驳站与AUV外部环境变量,包括洋流流速与洋流流向。监测接驳站基座和喇叭口姿态,以及AUV三维坐标和朝向信息。控制喇叭口朝向、水下灯开关以及电磁铁通断,实现AUV回坞导航与入坞锁紧、出坞释放。控制ICPT电源供给,保障ICPT安全可靠。完成了电子罗盘、声学多普勒流速剖面仪(ADCP)、超短基线水下定位系统(USBL)、WIFI天线、电磁铁、继电器、水下灯和水下电机等传感器与执行器的选型。完成嵌入式系统选型,包括嵌入式PC和ARM开发板。设计了电压电流检测电路和温度漏水检测电路。设计了 AUV回坞导航接驳站端控制策略和非接触电能传输控制策略。基于WinCC组态软件设计了上位机软件系统,通过OPC Server与下位机软件进行通信连接。软件界面能实时显示接驳系统监测数据,并能可靠对水下电机、电磁铁、水下灯和电源开关进行控制。本文在研究的过程中还对系统各关键模块进行了实验室测试,并与接驳系统整体在水池进行了长时间的测试。这些测试都证明了系统的优良性能及可靠性。最后本文对已完成的工作进行了总结,并对接下来的工作进行了展望。
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