一种基于热备份的冗余水下机器人自主控制系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于水下机器人自主控制技术领域，具体地说是一种水下机器人冗余自主控制系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002]在海洋领域里，随着对水下作业需求的增加，越来越多任务多元、使命复杂的水下机器人被开发出来，它们具有工作时间长、航行距离远等特点，随之而来的，是对运行可靠性和容错能力的要求大大提闻。
[0003]以往水下机器人的可靠性模型多为串联模型，缺少并联环节，提高可靠性的措施多是利用提高零部件的质量等级或丰富应急处理方式，但某一环节出现问题，整个任务将无法继续，任务可靠性的提高程度有限，无法满足更高可靠性的要求。故需要一种可以大幅提高系统容错能力的方法，来满足工作时间长、复杂程度高的任务需求。
【发明内容】
[0004]为了满足水下机器人长时间运行对高可靠性的需求，进一步增加可靠运行时间，本发明提供了一种增加并联控制环节的自主控制方法，以提升水下机器人控制平台自主容错的能力。
[0005]为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是:一种基于热备份的冗余水下机器人自主控制系统，在水下机器人的内部包括完全相同的控制计算机a和控制计算机b，
[0006]所述控制计算机a通过冗余供电控制接口连接所有下一级功能单元，在正常工作状态下，控制其管理的下一级功能单元的供电开关状态；当所述控制计算机b出现异常时，控制控制计算机b管理的下一级功能单元的供电开关状态；通过总线网络连接所有下一级功能单元并对所有下一级功能单元进行数据监测；通过总线网络采集所有下一级功能单元的状态信息；
[0007]所述控制计算机b通过冗余供电控制接口连接所有下一级功能单元，在正常工作状态下，控制其管理的下一级功能单元的供电开关状态；当所述控制计算机a出现异常时，控制控制计算机a管理的下一级功能单元的供电开关状态；通过总线网络连接所有下一级功能单元并对所有下一级功能单元进行数据监测。通过总线网络采集所有下一级功能单元的状态信息。
[0008]一种基于热备份的冗余水下机器人自主控制方法，包括以下步骤:
[0009]在正常工作状态下，控制计算机a和控制计算机b通过总线网络采集所有下一级功能单元的状态信息；
[0010]根据下一级功能单元的状态信息，控制计算机a和控制计算机b按照相同的执行逻辑，经过运算和判断，形成所有下一级功能单元的执行序列；
[0011]控制计算机a将其管理的下一级功能单元的执行序列下达给该下一级功能单元；控制计算机b将其管理的下一级功能单元的执行序列下达给该下一级功能单元；
[0012]当控制计算机a和控制计算机b中的一台控制计算机出现异常时,另一台控制计算机接替对方对其管理的下一级功能单元进行管理，从而实现控制平台的热备份。
[0013]本发明具有以下有益效果及优点:
[0014]1.水下机器人在控制容错能力方面得到大幅的提高，从而提高了系统整体可靠度。
[0015]2.通过控制环节的热备份方式，保证了某一控制单元故障后切换控制的连续性。
【附图说明】
[0016]图1为本发明的组成示意图；
[0017]图2为本发明的冗余硬件供电控制接口 ；
[0018]图3为本发明的自主控制流程示意图；
[0019]图4为本发明的故障切换控制示意图。
[0020]图1中，I为水下机器人，2为总线网络，3为控制计算机a，4为控制计算机a的下一级功能单元，5为冗余供电控制接口，6为控制计算机b，7为控制计算机b的下一级功能单元。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0022]如图1所示，水下机器人内一套冗余控制平台主要由两台相同接口控制计算机、冗余供电控制接口和信息共享总线网络组成。互为冗余的控制计算机可通过冗余硬件供电控制接口对下级功能单元实现供电控制，可通过总线网络访问到所有总线上的设备，并建立通信。
[0023]如图2所示，冗余供电控制接口是由两个继电器组成，两个继电器并联，在供电电源回路上形成并联的通断开关，任意一个继电器闭合或两个继电器同时闭合均可实现电源回路的接通，继电器开关的闭合和断开是通过各自供电控制信号来实现的。冗余硬件供电控制接口在冗余控制平台中使用时，两个继电器的供电控制信号分别来至互为冗余的控制计算机，两个继电器并联后的输出端连至下一级功能单元的电源输入端，即可实现互为冗余的控制计算机对下一级控制单元的冗余供电状态控制。
[0024]在冗余控制平台中信息传输是通过总线网络来完成，所使用的总线网络可以多主方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其它节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活可以点对点、点对多点(成组)及全局广播方式发送和接收数据；网络上的节点信息可分成不同的优先级以满足不同的实时要求；具备非破坏性总线仲裁机制，即当两个节点同时向网络上发送数据时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，大大地降低了总线仲裁的冲突时间，在网络负载很重的情况下也不会出现网络故障或瘫痪。这些均是为保证网络信息发送/接收秩序的自主适应以及信息通道的通畅和连续。
[0025]本实施方式的具体流程为:冗余控制平台工作开始后，互为冗余的控制计算机均按图3所示的工作流程，开启所控制的下一级功能单元的供电开关，建立通信连接、采集信息，判断各个功能单元的状态，并将判断完的结果发送给冗余的控制计算机。
[0026]如果判断所控制的各个功能单元的状态均正常，并查看是否有接管请求，如果有接管请求，则接管对方下一级的功能单元，利用采集来的数据进行运算，形成给定输出控制量，下达给所有下一级的功能单元执行，否则形成给定输出控制量后，只下达给本机下一级的功能单元执行。以此流程反复运行。
[0027]如果判断到所控制的某一个功能单元的状态异常，同时对比接收到的冗余控制计算机所判断的结果，如果状态结果同样是异常，则对该异常进行故障处理；如果冗余控制计算机所判断的结果为正常，则认为本机故障，发送接管请求给对方，结束本机的程序运行，即形成如图4状态。
【主权项】
1.一种基于热备份的冗余水下机器人自主控制系统，其特征在于:在水下机器人的内部包括完全相同的控制计算机a和控制计算机b， 所述控制计算机a通过冗余供电控制接口连接所有下一级功能单元，在正常工作状态下，控制其管理的下一级功能单元的供电开关状态；当所述控制计算机b出现异常时，控制控制计算机b管理的下一级功能单元的供电开关状态；通过总线网络连接所有下一级功能单元并对所有下一级功能单元进行数据监测；通过总线网络采集所有下一级功能单元的状态息; 所述控制计算机b通过冗余供电控制接口连接所有下一级功能单元，在正常工作状态下，控制其管理的下一级功能单元的供电开关状态；当所述控制计算机a出现异常时，控制控制计算机a管理的下一级功能单元的供电开关状态；通过总线网络连接所有下一级功能单元并对所有下一级功能单元进行数据监测。通过总线网络采集所有下一级功能单元的状态息。
2.一种基于热备份的冗余水下机器人自主控制方法，其特征在于:包括以下步骤: 在正常工作状态下，控制计算机a和控制计算机b通过总线网络采集所有下一级功能单元的状态信息； 根据下一级功能单元的状态信息，控制计算机a和控制计算机b按照相同的执行逻辑，经过运算和判断，形成所有下一级功能单元的执行序列； 控制计算机a将其管理的下一级功能单元的执行序列下达给该下一级功能单元；控制计算机b将其管理的下一级功能单元的执行序列下达给该下一级功能单元； 当控制计算机a和控制计算机b中的一台控制计算机出现异常时，另一台控制计算机接替对方对其管理的下一级功能单元进行管理，从而实现控制平台的热备份。
【专利摘要】本发明属于水下机器人自主控制技术领域，具体地说是一种水下机器人冗余自主控制系统及其控制方法，系统是由冗余的控制计算机、冗余的供电控制接口以及信息共享的总线网络构成。互为冗余的控制计算机间相互监测对方的状态，当各自状态均正常的时候，两个控制计算机通过冗余供电控制接口和信息共享的总线网络控制各自下一级的功能单元，同时也接收对方下一级功能单元的信息；当某一台控制计算机状态异常的时候，立即向另一台控制计算机发出接管请求，另一台控制计算机收到请求后接管对方下一级功能单元的全部控制权。本发明利用热备份的主控单元和控制链路实现无缝切换控制，可提高控制平台的可靠度，从而增加系统的可靠运行时间。
【IPC分类】B25J9-18
【公开号】CN104669268
【申请号】CN201310614348
【发明人】李德隆, 于闯, 贾松力, 任申真, 徐红丽
【申请人】中国科学院沈阳自动化研究所
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2013年11月26日