本發明涉及無人艇技術領域，更具體地說，涉及一種無人艇分布式控制系統。
背景技術：
無人艇作為新興的智能化平臺，可以搭載不同的應用模塊，在安防巡邏、水域測繪、水質監測、輔助作戰等方面具有廣闊的應用前景。無人艇能替代人工操控常規船艇作業于危險、污染、復雜水域，具有全天候、高精度、高效率等優點，能顯著提高水域行業的工作效率和安全性。
國內無人艇的研究還處于起步階段，涉足的廠家大多從小型無人艇著手研制。這類無人艇主要用于內河、湖泊監測及垃圾清理，由于功能單一、性能要求不高，系統架構相對簡單，多采用集中控制方式，任務處理、運動控制等工作都由主cpu完成。然而，對于作業于復雜海況中的海洋無人艇，其環境感知能力、故障診斷能力、自主決策能力、應用搭載能力要求大幅提升，對控制系統的處理速度和能力提出了更高的要求，目前這種集中控制的方式顯然無法滿足。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題在于，提供一種無人艇分布式控制系統。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：構造一種無人艇分布式控制系統，包括協同控制器、通訊控制器、主控制器及與所述主控制器連接的子系統，所述子系統包括獨立工作和進行信息交互的動力子系統、能源子系統、設備管理子系統、人機交互子系統、安全管理子系統、無人機子系統，動力子系統控制和管理發動機和推進器，所述能源子系統控制和管理油路和電池組，所述通訊控制器控制和管理衛星和無線電臺，所述設備管理子系統控制和管理探照燈、穩臺和探測設備，所述人機交互子系統控制和管理操作面板，所述安全管理子系統控制和管理傳感器、排水裝置及滅火裝置，所述無人機子系統控制和管理無人機平臺。
在上述方案中，所述協同控制器用于規劃、組織和協調無人艇群的協同任務，接收控制中心下發至無人艇群的協同指令并分解至單個無人艇。
在上述方案中，所述通訊控制器連接衛星通訊模塊、無線電臺，采用多模冗余通信方式，實現無人艇與遠程監控中心及無人艇之間的信息交互。
在上述方案中，所述主控制器包括3個cpu，用于解析傳感數據，接收控制中心指令或協同控制指令，運行自主控制算法，控制無人艇航行軌跡、智能避障、動力定位、自主靠港停泊，采用環網心跳監測無人艇整體狀態、協調各子系統的工作。
在上述方案中，所述動力子系統用于控制發動機、推進器的動作，監測發動機、推進器的各項參數指標。
在上述方案中，所述能源子系統用于對油路和電池組進行實時監測和保護，分配其它各子系統的用電和控制其啟停，通過智能算法對油路和電池組的故障進行預判、警告和保護。
在上述方案中，所述設備管理子系統用于控制艇載設備的啟停及配置，檢測各艇載設備的狀態。
在上述方案中，所述人機交互子系統控制操作面板，安裝于無人艇上實現有人駕駛或安裝于控制中心進行遠程遙控和下發無人駕駛指令。
在上述方案中，所述安全管理子系統用于檢測艇體溫度、進水量的信息，控制艇載排水裝置及滅火裝置，在艇體溫度、進水量異常時啟動滅火、排水程序并與能源子系統和動力子系統進行信息交互。
在上述方案中，所述無人機子系統控制無人機平臺，對艇載無人機進行自動回收、緊固和充電。
實施本發明一種無人艇分布式控制系統，具有以下有益效果：
1、本發明采用分布式控制思想，將無人艇控制系統按功能劃分為多個子系統，各子系統根據當前任務及艇體狀態自主決策、控制，與主控制器進行信息交互，有效避免了集中控制時由于主控制器故障引起的事故和損失；對無人艇各功能區域設備分別進行監測和診斷，提升艇體安全性能。
2、本發明中各子系統均采用通用控制單元，硬件統一，根據功能需求不同下載不同軟件即可；各子系統之間采用總線通信，統一接口，即插即用，為調試和維護帶來了極大的便利性；各子系統可根據不同艇型和應用需求搭配組合，市場響應速度快。
3、本發明中主控制器采用多cpu冗余配置，心跳環網監測，單個cpu故障時可進行任務切換，控制系統的可靠性大幅提升。
附圖說明
下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：
圖1為一種無人艇分布式控制系統的結構示意圖。
具體實施方式
為了對本發明的技術特征、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖詳細說明本發明的具體實施方式。
如圖1所示，本發明提供一種無人艇分布式控制系統，包括協同控制器、通訊控制器、主控制器及與主控制器連接的子系統，子系統包括獨立工作同時進行信息交互的動力子系統、能源子系統、設備管理子系統、人機交互子系統、安全管理子系統、無人機子系統，動力子系統控制和管理發動機和推進器，能源子系統控制和管理油路和電池組，通訊控制器控制和管理衛星和無線電臺，設備管理子系統控制和管理探照燈、穩臺和探測設備，人機交互子系統控制和管理操作面板，安全管理子系統控制和管理傳感器、排水裝置及滅火裝置，無人機子系統控制和管理無人機平臺。
本實施例中，協同控制器用于規劃、組織和協調無人艇群的協同任務，接收控制中心下發至無人艇群的協同指令并分解至單個無人艇。協同控制器通過通訊子系統與艇群控制系統進行信息交互，上報本艇的總體性能、設備資源、任務模塊和健康狀態，與艇群內其它無人艇自主協商任務分配，共享環境信息，實現無人艇群的自組網和自主協同控制。
本實施例中，通訊控制器連接衛星通訊模塊、無線電臺，實現無人艇與遠程監控中心及無人艇之間的信息交互。通訊控制器采用多模冗余通信方式，保證重要指令、數據的可靠傳輸。集群作業時，實現無人艇群的無中心自組網。
本實施例中，主控制器包括3個cpu，分別為cpu1、cpu2和cpu3；cpu1解析慣導、雷達、聲吶、氣象站等傳感數據，進行數據融合處理，計算結果作為智能算法的輸入；cpu2接收控制中心指令或協同控制指令，運行自主控制算法，如航跡控制、自主避障、自主靠岸停泊等；cpu3采用環網心跳監測無人艇整體狀態、協調各子系統的工作。本發明的主控制器采用雙電源和多cpu冗余配置，并進行了獨特的環網心跳監測設計；單個cpu故障時可進行任務切換，同時啟動設定的告警及保護程序，保證無人艇行駛安全。
本實施例中，動力子系統用于控制發動機、推進器的動作，如控制航行方向和航行速度及平移、旋轉等特定動作，監測發動機、推進器的各項參數指標。例如，動力子系統根據艇體噸位、氣象信息等數據自動限定無人艇的轉彎速度等，保證無人艇航行安全，同時監測發動機、推進器各項參數指標，對其進行健康狀態診斷。
本實施例中，能源子系統用于對油路和電池組進行實時監測和保護，分配其它各子系統的用電和控制其啟停，通過智能算法對油路和電池組的故障進行預判、警告和保護。能源子系統還對航行任務所需油量、電量進行計算和評估。
本實施例中，設備管理子系統用于控制探照燈、穩臺、探測設備等艇載設備的啟停、配置及方向，檢測各艇載設備的狀態。
本實施例中，人機交互子系統控制操作面板，安裝于無人艇上，通過操作面板上的方向、油門搖桿等操作元件實現有人駕駛，或安裝于控制中心進行遠程遙控和下發無人駕駛指令。
本實施例中，安全管理子系統用于檢測艇體溫度、進水量的信息，控制艇載排水裝置及滅火裝置，在艇體溫度、進水量異常時啟動滅火、排水程序并與能源子系統和動力子系統進行信息交互，通知能源子系統和動力子系統采取安全聯動措施。
本實施例中，無人機子系統控制無人機平臺，對艇載無人機進行自動回收、緊固和充電。
各子系統均采用dc24v供電，通過can總線和以太網進行信息交互，各子系統和其所控制設備之間的接口視設備而定。
本實施例以智能航行模式為例，本發明無人艇控制系統的工作流程如下：
(1)通訊控制器和遠程監控中心進行信息交互，獲取航行任務，根據是否為集群作業模式選擇將任務告知主控制器或協同控制器；同時，向監控中心上報無人艇航行狀態；通訊控制器根據各通訊鏈路連接情況，帶寬占用率判斷通信是否穩定、可靠，通信障礙時可自動切換數據通信通道。
(2)任務需集群作業時，協同控制器與艇群內其它無人艇自主協商任務分配，共享環境信息，實時感知和計算艇群內相對位置和任務同步性，同時，將本艇任務下發至主控制器。
(3)主控制器分解任務，并從慣導、雷達、聲吶、氣象站等設備獲取無人艇航行姿態、環境、路徑信息，計算后生成子任務下發至各子系統，同時監測各功能模塊狀態以判斷無人艇是否能繼續執行航行任務。
(4)動力子系統根據主控制器下發的指令對發動機、推進器進行控制，使航速、航向達到預期要求。
(5)能源子系統根據主控制下發的指令啟動參與本次航行任務的子系統和設備，為其分配合適裕量的電功率，同時計算剩余油量、電量能否完成本次任務。
(6)設備管理子系統根據任務需要控制相應艇載設備工作并采集數據，同時監測設備運行狀態。
(7)智能航行模式下，人機交互子系統連接的操作面板上操作元件無效，僅通過液晶屏和語音系統反饋航行關鍵參數和異常情況。
(8)安全管理子系統實時監測航行過程中艇體溫度、水量，異常時自動處理。
(9)無人機子系統根據任務需要在指定地點控制無人機平臺艙門打開，松開定位銷讓無人機起飛執行任務；任務完畢引導無人機降落至平臺，緊固、回收、關閉艙門，為無人機充電。
上面結合附圖對本發明的實施例進行了描述，但是本發明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發明的保護之內。