一種基于熱備份的冗余水下機器人自主控制系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水下機器人自主控制技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種水下機器人冗余自主控制系統(tǒng)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在海洋領(lǐng)域里，隨著對水下作業(yè)需求的增加，越來越多任務(wù)多元、使命復(fù)雜的水下機器人被開發(fā)出來，它們具有工作時間長、航行距離遠等特點，隨之而來的，是對運行可靠性和容錯能力的要求大大提聞。
[0003]以往水下機器人的可靠性模型多為串聯(lián)模型，缺少并聯(lián)環(huán)節(jié)，提高可靠性的措施多是利用提高零部件的質(zhì)量等級或豐富應(yīng)急處理方式，但某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，整個任務(wù)將無法繼續(xù)，任務(wù)可靠性的提高程度有限，無法滿足更高可靠性的要求。故需要一種可以大幅提高系統(tǒng)容錯能力的方法，來滿足工作時間長、復(fù)雜程度高的任務(wù)需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了滿足水下機器人長時間運行對高可靠性的需求，進一步增加可靠運行時間，本發(fā)明提供了一種增加并聯(lián)控制環(huán)節(jié)的自主控制方法，以提升水下機器人控制平臺自主容錯的能力。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種基于熱備份的冗余水下機器人自主控制系統(tǒng)，在水下機器人的內(nèi)部包括完全相同的控制計算機a和控制計算機b，
[0006]所述控制計算機a通過冗余供電控制接口連接所有下一級功能單元，在正常工作狀態(tài)下，控制其管理的下一級功能單元的供電開關(guān)狀態(tài)；當(dāng)所述控制計算機b出現(xiàn)異常時，控制控制計算機b管理的下一級功能單元的供電開關(guān)狀態(tài)；通過總線網(wǎng)絡(luò)連接所有下一級功能單元并對所有下一級功能單元進行數(shù)據(jù)監(jiān)測；通過總線網(wǎng)絡(luò)采集所有下一級功能單元的狀態(tài)信息；
[0007]所述控制計算機b通過冗余供電控制接口連接所有下一級功能單元，在正常工作狀態(tài)下，控制其管理的下一級功能單元的供電開關(guān)狀態(tài)；當(dāng)所述控制計算機a出現(xiàn)異常時，控制控制計算機a管理的下一級功能單元的供電開關(guān)狀態(tài)；通過總線網(wǎng)絡(luò)連接所有下一級功能單元并對所有下一級功能單元進行數(shù)據(jù)監(jiān)測。通過總線網(wǎng)絡(luò)采集所有下一級功能單元的狀態(tài)信息。
[0008]一種基于熱備份的冗余水下機器人自主控制方法，包括以下步驟:
[0009]在正常工作狀態(tài)下，控制計算機a和控制計算機b通過總線網(wǎng)絡(luò)采集所有下一級功能單元的狀態(tài)信息；
[0010]根據(jù)下一級功能單元的狀態(tài)信息，控制計算機a和控制計算機b按照相同的執(zhí)行邏輯，經(jīng)過運算和判斷，形成所有下一級功能單元的執(zhí)行序列；
[0011]控制計算機a將其管理的下一級功能單元的執(zhí)行序列下達給該下一級功能單元；控制計算機b將其管理的下一級功能單元的執(zhí)行序列下達給該下一級功能單元；
[0012]當(dāng)控制計算機a和控制計算機b中的一臺控制計算機出現(xiàn)異常時,另一臺控制計算機接替對方對其管理的下一級功能單元進行管理，從而實現(xiàn)控制平臺的熱備份。
[0013]本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點:
[0014]1.水下機器人在控制容錯能力方面得到大幅的提高，從而提高了系統(tǒng)整體可靠度。
[0015]2.通過控制環(huán)節(jié)的熱備份方式，保證了某一控制單元故障后切換控制的連續(xù)性。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的組成示意圖；
[0017]圖2為本發(fā)明的冗余硬件供電控制接口 ；
[0018]圖3為本發(fā)明的自主控制流程示意圖；
[0019]圖4為本發(fā)明的故障切換控制示意圖。
[0020]圖1中，I為水下機器人，2為總線網(wǎng)絡(luò)，3為控制計算機a，4為控制計算機a的下一級功能單元，5為冗余供電控制接口，6為控制計算機b，7為控制計算機b的下一級功能單元。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0022]如圖1所示，水下機器人內(nèi)一套冗余控制平臺主要由兩臺相同接口控制計算機、冗余供電控制接口和信息共享總線網(wǎng)絡(luò)組成?；槿哂嗟目刂朴嬎銠C可通過冗余硬件供電控制接口對下級功能單元實現(xiàn)供電控制，可通過總線網(wǎng)絡(luò)訪問到所有總線上的設(shè)備，并建立通信。
[0023]如圖2所示，冗余供電控制接口是由兩個繼電器組成，兩個繼電器并聯(lián)，在供電電源回路上形成并聯(lián)的通斷開關(guān)，任意一個繼電器閉合或兩個繼電器同時閉合均可實現(xiàn)電源回路的接通，繼電器開關(guān)的閉合和斷開是通過各自供電控制信號來實現(xiàn)的。冗余硬件供電控制接口在冗余控制平臺中使用時，兩個繼電器的供電控制信號分別來至互為冗余的控制計算機，兩個繼電器并聯(lián)后的輸出端連至下一級功能單元的電源輸入端，即可實現(xiàn)互為冗余的控制計算機對下一級控制單元的冗余供電狀態(tài)控制。
[0024]在冗余控制平臺中信息傳輸是通過總線網(wǎng)絡(luò)來完成，所使用的總線網(wǎng)絡(luò)可以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意一個節(jié)點均可以在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活可以點對點、點對多點(成組)及全局廣播方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點信息可分成不同的優(yōu)先級以滿足不同的實時要求；具備非破壞性總線仲裁機制，即當(dāng)兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，大大地降低了總線仲裁的沖突時間，在網(wǎng)絡(luò)負載很重的情況下也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障或癱瘓。這些均是為保證網(wǎng)絡(luò)信息發(fā)送/接收秩序的自主適應(yīng)以及信息通道的通暢和連續(xù)。
[0025]本實施方式的具體流程為:冗余控制平臺工作開始后，互為冗余的控制計算機均按圖3所示的工作流程，開啟所控制的下一級功能單元的供電開關(guān)，建立通信連接、采集信息，判斷各個功能單元的狀態(tài)，并將判斷完的結(jié)果發(fā)送給冗余的控制計算機。
[0026]如果判斷所控制的各個功能單元的狀態(tài)均正常，并查看是否有接管請求，如果有接管請求，則接管對方下一級的功能單元，利用采集來的數(shù)據(jù)進行運算，形成給定輸出控制量，下達給所有下一級的功能單元執(zhí)行，否則形成給定輸出控制量后，只下達給本機下一級的功能單元執(zhí)行。以此流程反復(fù)運行。
[0027]如果判斷到所控制的某一個功能單元的狀態(tài)異常，同時對比接收到的冗余控制計算機所判斷的結(jié)果，如果狀態(tài)結(jié)果同樣是異常，則對該異常進行故障處理；如果冗余控制計算機所判斷的結(jié)果為正常，則認為本機故障，發(fā)送接管請求給對方，結(jié)束本機的程序運行，即形成如圖4狀態(tài)。
【主權(quán)項】
1.一種基于熱備份的冗余水下機器人自主控制系統(tǒng)，其特征在于:在水下機器人的內(nèi)部包括完全相同的控制計算機a和控制計算機b， 所述控制計算機a通過冗余供電控制接口連接所有下一級功能單元，在正常工作狀態(tài)下，控制其管理的下一級功能單元的供電開關(guān)狀態(tài)；當(dāng)所述控制計算機b出現(xiàn)異常時，控制控制計算機b管理的下一級功能單元的供電開關(guān)狀態(tài)；通過總線網(wǎng)絡(luò)連接所有下一級功能單元并對所有下一級功能單元進行數(shù)據(jù)監(jiān)測；通過總線網(wǎng)絡(luò)采集所有下一級功能單元的狀態(tài)息; 所述控制計算機b通過冗余供電控制接口連接所有下一級功能單元，在正常工作狀態(tài)下，控制其管理的下一級功能單元的供電開關(guān)狀態(tài)；當(dāng)所述控制計算機a出現(xiàn)異常時，控制控制計算機a管理的下一級功能單元的供電開關(guān)狀態(tài)；通過總線網(wǎng)絡(luò)連接所有下一級功能單元并對所有下一級功能單元進行數(shù)據(jù)監(jiān)測。通過總線網(wǎng)絡(luò)采集所有下一級功能單元的狀態(tài)息。
2.一種基于熱備份的冗余水下機器人自主控制方法，其特征在于:包括以下步驟: 在正常工作狀態(tài)下，控制計算機a和控制計算機b通過總線網(wǎng)絡(luò)采集所有下一級功能單元的狀態(tài)信息； 根據(jù)下一級功能單元的狀態(tài)信息，控制計算機a和控制計算機b按照相同的執(zhí)行邏輯，經(jīng)過運算和判斷，形成所有下一級功能單元的執(zhí)行序列； 控制計算機a將其管理的下一級功能單元的執(zhí)行序列下達給該下一級功能單元；控制計算機b將其管理的下一級功能單元的執(zhí)行序列下達給該下一級功能單元； 當(dāng)控制計算機a和控制計算機b中的一臺控制計算機出現(xiàn)異常時，另一臺控制計算機接替對方對其管理的下一級功能單元進行管理，從而實現(xiàn)控制平臺的熱備份。
【專利摘要】本發(fā)明屬于水下機器人自主控制技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種水下機器人冗余自主控制系統(tǒng)及其控制方法，系統(tǒng)是由冗余的控制計算機、冗余的供電控制接口以及信息共享的總線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。互為冗余的控制計算機間相互監(jiān)測對方的狀態(tài)，當(dāng)各自狀態(tài)均正常的時候，兩個控制計算機通過冗余供電控制接口和信息共享的總線網(wǎng)絡(luò)控制各自下一級的功能單元，同時也接收對方下一級功能單元的信息；當(dāng)某一臺控制計算機狀態(tài)異常的時候，立即向另一臺控制計算機發(fā)出接管請求，另一臺控制計算機收到請求后接管對方下一級功能單元的全部控制權(quán)。本發(fā)明利用熱備份的主控單元和控制鏈路實現(xiàn)無縫切換控制，可提高控制平臺的可靠度，從而增加系統(tǒng)的可靠運行時間。
【IPC分類】B25J9-18
【公開號】CN104669268
【申請?zhí)枴緾N201310614348
【發(fā)明人】李德隆, 于闖, 賈松力, 任申真, 徐紅麗
【申請人】中國科學(xué)院沈陽自動化研究所
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2013年11月26日