一種小型自治水下機器人電源管理系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種小型自治水下機器人（以下簡稱AUV）電源管理系統(tǒng)，電源控制電路與電源分配電路、電池組連接；電源控制電路：用于進行AUV的電源分配，并能夠監(jiān)測整個AUV的實時電流；與中央控制系統(tǒng)通過CAN接口進行通信；當AUV上岸時能夠與外部臍帶電纜連接并對電池組進行充電；電源分配電路將電源控制電路輸出的電壓經轉換供給中央控制系統(tǒng)和推進系統(tǒng)；電池組為電源管理系統(tǒng)內的主電源，給電源控制電路供電。本發(fā)明對小型AUV水下作業(yè)時自帶電池組的能源使用進行管理，同時可以使小型AUV在水面連接臍帶時能夠切換到充電模式，并使用臍帶電源為系統(tǒng)供電。
【專利說明】一種小型自治水下機器人電源管理系統(tǒng)【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及水下機器人電源管理，具體地說是一種小型自治水下機器人電源分配與監(jiān)測系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]隨著人們對海洋資源的探索與開發(fā)日益頻繁，水下機器人作為一種有效載體得到了長足的發(fā)展。對于近海、河流、湖泊與水庫等相對較淺的地域，小型自治水下機器人(以下簡稱小型AUV)以其便攜性、易用性、低成本等特點，在水下環(huán)境監(jiān)測與水下偵查等方面得到了廣泛的應用。
[0003]由于小型AUV的體積重量和工作模式限制，現(xiàn)階段的小型AUV在水下工作時幾乎都采用自帶可充電電池組提供能源，而且電池組的大小也受到嚴格的限制，只有當其回到岸上的時候，才會使用臍帶來提供電源并且同時為小型AUV電池組充電。在這種情況下，小型AUV必須有一套成熟可靠的電源管理系統(tǒng)，既可以管理自身電池組的能量分配，又可以方便的在水下工作模式和水面工作模式下快捷安全的切換。

【發(fā)明內容】

[0004]為了解決上述存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種小型AUV電源管理系統(tǒng)，對小型AUV水下作業(yè)時自帶電池組的能源使用進行管理，同時可以使小型AUV在水面連接臍帶時能夠切換到充電模式，并使用臍帶電源為系統(tǒng)供電。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的:一種小型自治水下機器人電源管理系統(tǒng)，其特征在于包括:電源控制電路與電源分配電路、電池組連接；
[0006]電源控制電路:用于進行AUV的電源分配，并能夠監(jiān)測整個AUV的實時電流；與中央控制系統(tǒng)通過CAN接口進行通信；當AUV上岸時能夠與外部臍帶電纜連接并對電池組進行充電；
[0007]電源分配電路:將電源控制電路輸出的電壓經轉換供給中央控制系統(tǒng)和推進系統(tǒng)；
[0008]電池組:為電源管理系統(tǒng)內的主電源，給電源控制電路供電；
[0009]所述電源分配電路包括固態(tài)繼電器和中央控制系統(tǒng)電源轉換電路；固態(tài)繼電器的輸出端正極與電源控制電路的電壓輸出端連接，輸出端負極與推進系統(tǒng)的電源輸入端連接；固態(tài)繼電器的控制端與中央控制系統(tǒng)的推進系統(tǒng)控制輸出端連接；中央控制系統(tǒng)電源轉換電路的輸入端與電源控制電路的另一電壓輸出端連接，輸出端與電源控制電路的一個電壓輸入端連接。
[0010]所述電源控制電路包括單片機、電源轉換電路、傳感器和多個繼電器；與電池組并聯(lián)的電壓傳感器串聯(lián)電流傳感器后與電源分配電路的固態(tài)繼電器的輸出端正極連接；繼電器的兩路線圈控制端都通過電阻、二極管分別與外部臍帶電纜的輸入端ON和OFF連接，還分別通過干簧管與干電池正 極連接；繼電器的一個輸出端與繼電器的控制端連接，控制繼電器輸出端的通斷，另一端懸空；繼電器輸出端與中央控制系統(tǒng)電源轉換電路的輸入端連接；繼電器為兩個并聯(lián)的繼電器，每個繼電器的開關的一對輸入端與中央控制系統(tǒng)電源轉換電路的輸出端連接，開關的另一對輸入端與臍帶電纜的正電壓輸入連接，開關的輸出端通過二極管與單片機電源轉換電路輸入端連接，每個繼電器的兩個控制線圈分別與臍帶電纜的兩個輸入端連接。
[0011]電源轉換電路包括單片機電源轉換電路、CAN電源轉換電路和電壓傳感器電源轉換電路；單片機電源轉換電路的輸入端與繼電器的開關輸出經二極管的一端連接，輸出端與單片機電源端連接，該輸出端還與CAN電源轉換電路、電壓傳感器電源轉換電路、安全狀態(tài)檢測電路的電源端連接。
[0012]所述安全狀態(tài)檢測電路包括溫度檢測電路、電壓檢測電路、電流檢測電路和漏水檢測電路。
[0013]本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點:
[0014]1.本發(fā)明通過繼電器的組合使用可以有效地控制小型AUV系統(tǒng)的電源連接情況，完全的將電池組和載體設備之間隔絕，保證系統(tǒng)的安全。
[0015]2.本發(fā)明使用艙體內部干簧管磁開關和外部手動開關協(xié)同控制繼電器，使得外部臍帶電源和自帶電池組之間可以獨立的對載體供電，同時可以保證在插拔臍帶的時候，至少有一路電源與系統(tǒng)相連，使得系統(tǒng)可以一直維持正常的工作狀態(tài)。
[0016]3.本發(fā)明可以實時監(jiān)測水下工作狀態(tài)下載體的電池組狀態(tài)、載體設備的用電情況和電池組所在艙體內的實時溫度，同時通過CAN總線傳遞給載體的中央控制單元，為中央控制單元的決策提供依據(jù)，具有極高的安全性。
[0017]4.本發(fā)明有效地對推進系統(tǒng)電源、控制系統(tǒng)電源和觀測系統(tǒng)電源進行了隔離，通過中央控制系統(tǒng)的協(xié)調可以對各個用電部分進行獨立的控制。
[0018]5.對小型AUV水下作業(yè)時自帶電池組的能源使用進行管理，同時可以使小型AUV在水面連接臍帶時能夠切換到充電模式，并單獨使用臍帶電源或者與電池組一起為系統(tǒng)供電。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的電源管理系統(tǒng)功能示意圖；
[0020]圖2為本發(fā)明的電源管理系統(tǒng)電源分配結構圖；
[0021]圖3為本發(fā)明的電源管理系統(tǒng)接口連接示意圖；
[0022]圖4為本發(fā)明的電源管理系統(tǒng)繼電器接線電路圖；
[0023]其中，(a)為干電池與干簧管連接電路圖；(b)為繼電器201連接電路圖；(C)為繼電器202連接電路圖；(d)為繼電器203連接電路圖；(e)為防回流二極管連接電路圖；
[0024]圖5為本發(fā)明的電源管理系統(tǒng)電源控制電路的電源分配電路圖；
[0025]其中，Ca)為推進電源連接電路圖；(b)為單片機電源分配電路圖；(C)為CAN通信芯片電源分配電路圖；(d)為電壓傳感器電源分配電路圖；
[0026]圖6為本發(fā)明的電源管理系統(tǒng)電源控制電路的單片機端口連接電路圖；
[0027]其中，(a)為單片機最小系統(tǒng)電路圖；(b)為單片機通信支持電路圖；(c)為JTAG接口電路圖；[0028]圖7為本發(fā)明的電源管理系統(tǒng)電源控制電路安全狀態(tài)檢測電路圖；
[0029]其中，(a)為溫度檢測電路圖；(b)為電壓檢測電路圖；(C)為電流檢測電路圖；Cd)為艙內漏水檢測電路圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0031]如圖1所示，本發(fā)明涉及的電源管理系統(tǒng)主要包括電源控制電路1，電源分配電路2，電池組5，其功能包括電源控制、電源分配、電源狀態(tài)監(jiān)測以及單片機數(shù)據(jù)采集與通信。載體電池組5直接與電源控制電路I相連，臍帶電纜6只有在岸上才與載體電源管理系統(tǒng)相連。電源被主要分為三個部分:電源管理系統(tǒng)單片機電源、自動駕駛艙電源和推進系統(tǒng)電源。
[0032]如圖2所示，在電源管理系統(tǒng)內，主電源為+36V左右的電池組5，通過電壓傳感器206監(jiān)測電池組兩端電壓，通過電流傳感器207監(jiān)測整個載體系統(tǒng)的實時電流；之后整個電源分為兩路，一路經過固態(tài)繼電器7連接到推進系統(tǒng)(+36V/T)，固態(tài)繼電器7的開關控制由中央控單元單獨提供(+24V/T)，另外一路經過繼電器202 (松下AQZ262)接入到自動駕駛艙(AP艙)，我們通過臍帶電纜6上的0N/0FF開關或者干簧管開關204來控制繼電器201(松下TQ2-L2-3V)，進而控制連接到自動駕駛艙電源(+36V/AP)的開關。+36V/AP經過外部的電源轉換模塊8變?yōu)?24V/C1回到電源管理系統(tǒng)內，再經過繼電器203 (松下DS2E-ML2-DV24V)為電源管理系統(tǒng)單片機4和AP艙控制系統(tǒng)供電，這里使用兩個繼電器203來保證電流足夠大小。這里的臍帶電纜0N/0FF開關起到關鍵作用，既可以替代干簧管開關204控制繼電器201，同時也控制繼電器203的連接情況:當ON按下的時候，我們使得繼電器201接通，同時控制繼電器203連接到+24V/C1，這樣臍帶電源和電池電源同時供電；當OFF按下的時候，我們使得繼電器201斷開，同時控制繼電器203只連接到臍帶電源；當水面任務完成之后，再按下0N，這樣電池又連接到系統(tǒng)，臍帶電纜6就可以拔下，小型AUV開始進行水下作業(yè)任務。這樣設計的好處主要是可以分別控制臍帶電源與電池電源的連接，保證在拔下臍帶電源之后電池已經連接到系統(tǒng)中，不會對AUV供電造成影響。電源系統(tǒng)內部的單片機主要進行電源系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測，包括電壓、電流、溫度與漏水狀態(tài)，并通過CAN總線與中央控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳遞。
[0033]本系統(tǒng)與電池組在一起，當使用電池作為能源時，不連接中央控制系統(tǒng)(電源轉換)無法進行正常工作；而連接臍帶電纜時則不受中央控制系統(tǒng)(電源轉換)的限制，可以正常工作。4個繼電器組成的開關組合，繼電器201控制繼電器202的通斷，臍帶的0N/0FF開關控制繼電器203的連接情況，并和干簧管204磁開關一起控制繼電器201，邏輯上保證電源和載體一直有連接，并且可以自由控制電池組電源的開關。
[0034]圖3顯示的是電源管理系統(tǒng)的接口定義。電源控制板上一共有五組接口，臍帶電纜提供+24V電源和0N/0FF控制信息，與控制板的Jl相連；從電池組引出三路電源(J2)，其中兩路用于給推進系統(tǒng)供電(J5)，一路經繼電器AQZ262連接到自動駕駛艙進行電源轉換(J4)；J4同時接收自動駕駛艙轉換后的+24V電源并經繼電器203回傳給自動駕駛艙；中央控制系統(tǒng)通過CAN總線與電源控制系統(tǒng)進行通訊，使用接口 J3，同時J3上還有兩路漏水檢測報警，一路信號由電源管理系統(tǒng)自己的單片機檢測，一路連接到中央控制系統(tǒng)檢測，形成漏水檢測的冗余。
[0035]在臍帶電纜0N/0FF開關與繼電器201之間有二極管，防止干簧管電路中的電流回流形成回路；在繼電器203的輸出端也有二極管，防止臍帶連接時電流回流到中央控制系統(tǒng)的電源轉換部分。
[0036]圖4為電源控制板繼電器接線電路圖，圖4 (a)中B為3V干電池，G1、G2是干簧管開關，分別控制4 (b)中RELAYl的兩個回路通斷，圖4 (b) RELAYl (TQ2-L2-3V)、圖4 (c)RELAY2 (AQZ262)以及圖 4 (d)RELAY3 ?4 (DS2E-ML2-DV24V)是繼電器，按照圖 2 描述的功能進行連接，其中RELAY1、RELAY2、RELAY3?4分別對應圖2中的繼電器201、繼電器202和繼電器203 ;圖4 (e )是二極管，可以保護電路，使得電流單向流動，臍帶電源+24V/Sur不會與電池組產生的24V/0UT連接。圖4中GND/Sur表示插上臍帶電纜后臍帶電纜的地線與+24V/C以及+24V/C1的地線相連。
[0037]圖5包括兩大部分，圖3中的J5 (+36V)也就是本圖5 Ca)中的+36V/0UT，經過保險絲之后直接連接到固態(tài)繼電器SSD，從固態(tài)繼電器1-端口引線連接到推進電機端。圖5 (b)?圖 5 (d)是三個電壓模塊，SI (THL10-2411WI)、S2 (TSM0505S)與 Al (TSM0512D)進行電壓的轉換，經過轉換之后分別給單片機、CAN通信芯片以及電壓傳感器使用。
[0038]圖6是電源管理系統(tǒng)的單片機連接電路圖，圖6 Ca)是最小系統(tǒng)電路圖，Dl使用的是Atmega AT90CAN128單片機，該單片機自帶CAN控制器；圖6 (b)為通信支持電路，D2為數(shù)字隔離器ADuM1201，可以降低噪聲對信號的干擾；D3是高速CAN收發(fā)控制器TJA1050，進行CAN通信的數(shù)據(jù)轉換，輸出端與外部中央控制系統(tǒng)連接；圖6 (c)中JTAG接口留作片上調試與程序下載使用。此部分主要用單片機檢測溫度傳感器信息ADC0、電壓傳感器信息ADCl和電流傳感器信息ADC2?3以及漏水信息PC0，通過CAN總線發(fā)送給中央控制系統(tǒng)。
[0039]可以進行CAN通信的板上單片機系統(tǒng)，單片機采集電源的實時狀態(tài)并通過CAN總線向中央控制系統(tǒng)報告狀態(tài)，為其進一步的決策提供依據(jù)
[0040]圖7是電源控制板安全狀態(tài)檢測電路圖，主要包括四部分:溫度檢測(a)、電壓檢測(b)、電流檢測(c)和漏水檢測(d)。如圖7(a)所示，溫度監(jiān)測功能采用溫度傳感器AD590，其相當于一個電流源，電流大小通過公式Iad59ci = (273+t)uA來計算，t為當前艙內攝氏溫度值，通過檢測電阻R18兩端電壓值ADCO間接檢測溫度值；如圖7 (b)所示，電壓傳感器采用LEM LV-25P，R10兩端電壓為ADCl，在使用圖(b)所示大小電阻R9與RlO時，電池組的電壓計算方法為V = 14.4XADCl ;如圖7 (c)所示，電流傳感器采用LEM HXS-20NP，采集信息為ADC2與ADC3，輸出電流計算方法為I = 16X | ADC2-ADC3 ;如圖7 (d)所示，D5為二極管，一旦艙體漏水，WS/BAT與GND短接，PCO端口得到的電平值將由高變低(由I變0)，保證在漏水時可以及時得到相應信息，同時還有連接到中央控制系統(tǒng)漏水檢測，使系統(tǒng)更加安全可靠。圖7中的么00)、40(:1、4002、4003和？0)都與單片機的I/O連接。
[0041]本系統(tǒng)的工作原理為:
[0042]1.在岸上對載體進行檢測的時候，連接臍帶電纜，按下開關0FF，使得系統(tǒng)在臍帶電源下工作，對載體進行初始化與設備檢測，之后按下開關0N，使得系統(tǒng)在電池組和臍帶雙電源下工作，之后拔下臍帶電纜，將小型AUV載體放入水中；
[0043]2.在水下機器人入水之后，通過中央控制系統(tǒng)向電源管理系統(tǒng)單片機發(fā)送指令，單片機根據(jù)要求報告當前電池組情況，中央控制系統(tǒng)通過電源管理系統(tǒng)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進行分析，合理使用推進系統(tǒng)及其他部分電源；
[0044]3.在暫時結束使命的時候，如果不需要上傳數(shù)據(jù)，使用磁鐵滑動干簧管磁開關，使系統(tǒng)關閉，當再次下水時，在使用磁鐵滑動干簧管開關時系統(tǒng)上電；
[0045]4.在水下使命執(zhí)行完畢后，回收載體，連接臍帶電纜，按下0FF，切斷電池組電壓，使用臍帶進行數(shù)據(jù)回收，最后拔下臍帶，使命結束。
【權利要求】
1.一種小型自治水下機器人電源管理系統(tǒng)，其特征在于包括:電源控制電路(I)與電源分配電路(2)、電池組(5)連接； 電源控制電路(I):用于進行AUV的電源分配，并能夠監(jiān)測整個AUV的實時電流；與中央控制系統(tǒng)通過CAN接口進行通信；當AUV上岸時能夠與外部臍帶電纜(6)連接并對電池組(5)進行充電； 電源分配電路(2 ):將電源控制電路(I)輸出的電壓經轉換供給中央控制系統(tǒng)和推進系統(tǒng)； 電池組(5):為電源管理系統(tǒng)內的主電源，給電源控制電路(I)供電。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種小型自治水下機器人電源管理系統(tǒng)，其特征在于包括:所述電源分配電路(2)包括固態(tài)繼電器(7)和中央控制系統(tǒng)電源轉換電路(8);固態(tài)繼電器(7)的輸出端正極與電源控制電路(I)的電壓輸出端連接，輸出端負極與推進系統(tǒng)的電源輸入端連接；固態(tài)繼電器(7)的控制端與中央控制系統(tǒng)的推進系統(tǒng)控制輸出端連接；中央控制系統(tǒng)電源轉換電路(8)的輸入端與電源控制電路(I)的另一電壓輸出端連接，輸出端與電源控制電路(I)的一個電壓輸入端連接。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種小型自治水下機器人電源管理系統(tǒng)，其特征在于包括:所述電源控制電路(I)包括單片機(4)、電源轉換電路(208)、傳感器和多個繼電器；與電池組(5)并聯(lián)的電壓傳感器(206)串聯(lián)電流傳感器(207)后與電源分配電路(2)的固態(tài)繼電器(7)的輸出端正極連接；繼電器(201)的兩路線圈控制端都通過電阻、二極管分別與外部臍帶電纜(6)的輸入端ON和OFF連接，還分別通過干簧管(204)與干電池正極連接；繼電器(201)的一個輸出端與繼電器(202)的控制端連接，控制繼電器(202)輸出端的通斷，另一端懸空；繼電器(202)輸出端與中央控制系統(tǒng)電源轉換電路(8)的輸入端連接；繼電器(203)為兩個并聯(lián)的繼電器，每個繼電器的開關的一對輸入端與中央控制系統(tǒng)電源轉換電路(8)的輸出端連接，開關的另一對輸入端與臍帶電纜(6)的正電壓輸入連接，開關的輸出端通過二極管與單片機電源轉換電路(2-8)輸入端連接，每個繼電器的兩個控制線圈分別與臍帶電纜(6)的兩個輸入端連接。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種小型自治水下機器人電源管理系統(tǒng)，其特征在于包括:電源轉換電路(208)包括單片機電源轉換電路、CAN電源轉換電路和電壓傳感器電源轉換電路；單片機電源轉換電路的輸入端與繼電器(203)的開關輸出經二極管的一端連接，輸出端與單片機(4)電源端連接，該輸出端還與CAN電源轉換電路、電壓傳感器電源轉換電路、安全狀態(tài)檢測電路的電源端連接。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種小型自治水下機器人電源管理系統(tǒng)，其特征在于包括:所述安全狀態(tài)檢測電路包括溫度檢測電路、電壓檢測電路、電流檢測電路和漏水檢測電路。
【文檔編號】G05B19/418GK103885391SQ201210555521
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年12月19日 優(yōu)先權日:2012年12月19日
【發(fā)明者】曾俊寶, 李一平, 閻述學 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所