测量型水下自主航行观测平台的设计与实现.pdf

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1、第32卷第3期2013年9月海洋技术OCEANTECHNOLOGYV01．32，No．3Sept，2013测量型水下自主航行观测平台的设计与实现刘颉，梁捷，杨逍，路亚娟，吕九红，张晓娟，姜民(国家海洋技术中心，天津300112)摘要：介绍了测量型水下自主航行观测平台的功能、组成和两种典型工作方式(梯形剖面测量和坐底连续测量)。针对水下自航行观测平台的特点，设计了基于CAN总线的分布式控制系统体系结构。通过海试验证了系统的可行性和可靠性。关键词：水下自主航行观测平台；分布式控制系统；CAN总线；梯形剖面测量；坐底连续测量中图分类号：P715．5文献标志码：B文章编号：1003—202

2、9(2013)03—0015—05测量型水下自主航行观测平台是一种具有水下自航行、自定位能力的低成本小型观测平台。它根据海洋动力环境要素——海流剖面、温盐深剖面、水位、水深观测任务的需要，搭载上视、下视ADCP和CTD海洋环境观测仪器，在用户设定的航线上自主航行，进行水下走航测量海流剖面、温度和电导率剖面、水深变化，到达预定地点(特殊海区)后，自动沉底进行定点坐底连续测量海流剖面、潮位、海底处温度、电导率，当完成设置的测量时间后，自动上浮，然后以同样的方式在返回过程中进行测量。获得的数据通过卫星和网络传送到用户。收回后，用户可以通过有线连接获得原始数据。利用数据处理软件获得定点测量

3、区域的潮、流特征和航线上的剖面数据。1组成水下自主航行观测平台外形结构见图1，它最大下潜深度100m，航速2～5kn，巡航半径100km，坐底观测时间72h。水下自主航行观测平台由两部分组成。(1)水上部分包图1水下自主航行观测平台外形结构括：甲板单元，数据接收与处理系统；(2)水下部分包括：海洋环境测量系统(ADCP，CTD)，数据采集与处理系统，导航与定位系统，航行控制系统，通讯系统，电源及管理系统，总控制系统，平台(监控单元)“黑匣子”，自动沉浮控制系统，载体(见图2)。为了安全，增加前视避碰声呐用来发现前方障碍，提示航行体规避；声学信标用来当航行体发生意外后，发出声信号，便

4、于寻找；“黑匣子”用来记录全部的工作过程及状态，回放记录的各个工况下的状态参数，可重现观测平台的历史运行过程，对历史数据进行必要的分析，从而对观测平台的经济性、可靠性进行评估，并为航行体控制策略的改进和优化提供可靠依据，有效减小现场试验的时间。2控制系统的集成水下自主航行观测平台控制体系结构是一个十分复杂的问题【lI，既有理论和方法上的问题，如运动学、流体动力学、运动求解、决策与规划、环境建模、故障诊断、组合导航等，也有组织与实施的问题，如任务的时问、空间分解、信息的采集、加工与处理、全局数据库等12I。控制系统的任务就是将平收稿日期：2012—12—10基金项目：国家高技术研究发

5、展计划(863计划)重大项目资助(2006AA09A312)作者简介：刘颉(1968一)，高级工程师，主要研究方向海洋环境观测。Email：liul968jie@sina．corn16海洋技术第32卷采p锚ytechC料59卜_型_天线r⋯。⋯。。。、；备用单元；之．．．．．．．．．．jCAN2OBBEtS监控单几：黑匣子：导航单元PCI04美豢一菱i-lI-．-．4薛,．．--．--．t曼．---====号===产==与l蠢lI二兰．竺兰竺lI遥术甲隧翼卜●一传动机构H直辏【_￡剐电机卜·叶水平尾填驱动器H—菩I广__-======f—I．————一L-----_一--—----

6、—-_L----------_J●≈Il●·____r————_1P——————-一1广________1●释艘圳拍l雄髓尾翼卜·H传动帆构H直流尤刷电机卜叫垂直尾翼驰动器卜—1母Il⋯．____·一L-—---一-_—_·____一----—--———_一_—E-——l电，歹姑--_。_r。。。。1r。。’。。。’1r。。。。。。。。1__I滑动阀门!---4传动机g．2I--4直流芷‘创电机!"---4往东屯机驵动器HlL———一图2水下自主航行观测平台的组成框图台上的各种设备和系统有效地组织起来，使其能够资源共享，协调的工作，完成水下自主航行平台使命任务。控制系统结构有以下要

7、求：(1)任务分配合理；(2)层次关系清晰；(3)时序关系严格有序；(4)信息交换顺畅；(5)控制结构应当模块化、标准化和通用化。2．1控制系统集成的方法实施一个复杂系统的设计，设计思想和指导原则是至关重要的。应对水下航行观测平台这样一个复杂的控制系统，借鉴了面向对象的系统设计思想。因为对象具有公有性、私有性、继承性，并且能够实现标准化、模块化和层次结构。要实现上述设计思想需要对系统进行合理的横向、纵向和时间过程的三维划分，同时要将划分的各个部分有效的组织，并且采用能